打磨清洗工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用

熊 雋 喬廣通

（1.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與汽車工程學(xué)院，瀘州 646000；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031）

隨著裝備制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，緊跟智能制造產(chǎn)業(yè)自動化、智能化和數(shù)字化的發(fā)展趨勢，工業(yè)機(jī)器人協(xié)作的柔性智能生產(chǎn)線應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。圖1為工業(yè)機(jī)器人智能生產(chǎn)線，由多臺ABB IRB1410機(jī)器人、數(shù)控車床、數(shù)控加工中心、視覺系統(tǒng)、自動打磨臺、自動清洗臺以及檢測臺等組成。機(jī)器人1在數(shù)控車床和數(shù)控加工中心之間進(jìn)行零件自動加工的上下料工作，并把加工完成的零件放到下料機(jī)構(gòu)上。機(jī)器人2負(fù)責(zé)對下料機(jī)構(gòu)傳送過來的已加工零件進(jìn)行自動打磨，放到自動清洗臺中進(jìn)行超聲波清洗。清洗完成后，由機(jī)器人3負(fù)責(zé)將工件取出、烘干以及到檢測臺進(jìn)行尺寸檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行分揀。

圖1 智能生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成圖

本文對負(fù)責(zé)打磨清洗的工業(yè)機(jī)器2應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。機(jī)器人2處于智能生產(chǎn)線中端，其末端執(zhí)行器直接由機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出（Input/Output，I/O）板的數(shù)字信號接口進(jìn)行控制[3]。打磨、清洗等設(shè)備，通過外部的西門子可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取，下料機(jī)構(gòu)上方安裝有工業(yè)視覺系統(tǒng)，對零件位置進(jìn)行準(zhǔn)確測量。所有機(jī)器人、PLC以及視覺系統(tǒng)通過以太網(wǎng)組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信[4]。

1 打磨清洗工業(yè)機(jī)器人工作流程

打磨清洗機(jī)器人工作流程，如圖2所示。將生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換到自動運(yùn)行模式后，按下啟動運(yùn)行按鈕，機(jī)器人執(zhí)行初始化程序，先判斷機(jī)器人是否在原點(diǎn)位置。若不在則自動回到原點(diǎn)等待，再將自動運(yùn)行信號與中斷程序觸發(fā)關(guān)聯(lián)起來。只要自動運(yùn)行信號轉(zhuǎn)換為0，即可停止工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行。

圖2 智能制造生產(chǎn)線工作流程

待下料機(jī)構(gòu)零件到位后，發(fā)送允許取料信號給機(jī)器人。機(jī)器人在取料位置上方，利用工業(yè)視覺系統(tǒng)進(jìn)行精確定位，修正工件坐標(biāo)偏移量后準(zhǔn)確抓取工件。此時(shí)抓取的零件，打磨位置與機(jī)器人手爪夾持位置相同[5]。機(jī)器人需要到翻面裝夾臺將工件進(jìn)行翻面裝夾，留出打磨位置進(jìn)行自動打磨。打磨完成后，判斷超聲波清洗框內(nèi)是否沒有工件，并判斷機(jī)器人3是否不在清洗框內(nèi)取工件。若條件滿足，機(jī)器人將零件放入清洗框，返回原點(diǎn)等待下一次打磨清洗工作的執(zhí)行。

2 打磨清洗工業(yè)機(jī)器工具

2.1 機(jī)器人手爪

為提高生產(chǎn)節(jié)拍，工業(yè)機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)為如圖3所示的雙工位手爪。機(jī)器人手爪工作前，將手爪連接法蘭盤、法蘭連接件和快換盤機(jī)器人側(cè)共同構(gòu)成的機(jī)器人連接部件安裝到工業(yè)機(jī)器人末端法蘭上，其他零部件組合起來放在工具支架上。

圖3 工業(yè)機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)

需要使用該手爪時(shí)，利用電磁閥控制，使快換盤機(jī)器人側(cè)與工具側(cè)精密吸合，即可實(shí)現(xiàn)手爪的快速拆裝。任意工位抓取工件時(shí)，只需要機(jī)器人發(fā)送信號給控制圓形氣缸的電磁閥，使其控制氣缸帶動手指收攏即可。為保證手爪已完全張開或已完全夾緊，安裝了兩個磁性傳感器用于氣缸張開和夾緊的檢測。

2.2 翻面裝夾臺

翻面裝夾臺主要由支撐架和臺階型的V形塊組成，用于工件的翻面裝夾[6]。待機(jī)器人在下料臺抓取零件后，將零件側(cè)放于V形塊上，如圖4所示，再運(yùn)行到零件另一端重新夾持零件。

圖4 翻面裝夾臺V形塊

3 工業(yè)機(jī)器人通信

3.1 工業(yè)機(jī)器人數(shù)字通信信號分配

本打磨清洗機(jī)器人選用ABB IRB1410機(jī)器人，使用DSQC652標(biāo)準(zhǔn)I/O板。該板卡有獨(dú)立數(shù)字輸入輸出接口，支持DeviceNet總線通信協(xié)議。為方便控制，需要設(shè)計(jì)每個通信信號的接口、名稱以及信號內(nèi)容等。設(shè)計(jì)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)I/O板數(shù)字輸入、數(shù)字輸出接口通信信號如表1所示。數(shù)字輸入信號主要為手爪兩個工位氣缸張開、夾緊的磁性開關(guān)檢測信號。數(shù)字輸出信號主要為兩個工位氣缸和快換盤動作的控制信號。

表1 標(biāo)準(zhǔn)I/O板數(shù)字輸入信號分配

3.2 DeviceNet總線通信信號分配

其他信號由西門子PLC與機(jī)器人通過總線進(jìn)行通信。西門子PLC支持Profibus總線，ABB機(jī)器人支持DeviceNet總線[7]。為了兩個設(shè)備能正常通信，在兩個設(shè)備之間使用PD-100網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)接，連接方法如圖5所示。

圖5 PLC與機(jī)器人總線通信連接

利用總線通信的信號，主要包括視覺系統(tǒng)檢測獲取的抓取位置X偏移量、位置Y偏移量和PLC傳遞的協(xié)作控制信號[8]，具體信號如表2所示。

表2 總線通信信號分配

4 工業(yè)機(jī)器人控制程序

ABB機(jī)器人的控制程序?yàn)镽APID程序，存放在程序模塊。一臺機(jī)器人可新建多個普通程序、中斷程序和功能程序，用于實(shí)現(xiàn)不同控制功能。本文應(yīng)用于打磨和清洗的機(jī)器人，為了控制邏輯清晰，容易識讀和后期維護(hù)，設(shè)計(jì)的具體程序如表3所示。

表3 例行程序列表

5 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人是智能制造的生力軍，應(yīng)用場景廣泛。本文闡述的工業(yè)機(jī)器人打磨清洗應(yīng)用，將自動化、數(shù)字化以及智能化技術(shù)結(jié)合起來，已在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，效果良好，可實(shí)現(xiàn)無人化柔性生產(chǎn)。生產(chǎn)應(yīng)用具有代表性，可24 h不間斷工作，不僅節(jié)約了人力成本，還避免了人為失誤，大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，具有極高的推廣價(jià)值。