工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)組裝生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用探究

魏偉峰

（深圳創(chuàng)華智能科技有限公司，廣東深圳 518000）

近年來，機(jī)器人的自動(dòng)化組裝對國民經(jīng)濟(jì)增長產(chǎn)生了不小的影響。機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)的重要產(chǎn)物，在工業(yè)制造中得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的引入不僅降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，還可以降低人的工作壓力。因此，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代控制集成系統(tǒng)與機(jī)器人的結(jié)合，可以在科技日新月異的背景下，創(chuàng)造出更智能化、更有利于自動(dòng)化的生產(chǎn)。

1 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)分析

（1）工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化程度高。這是其區(qū)別于傳統(tǒng)工藝流程的最大特點(diǎn)。在主要的工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人幾乎已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的人工操作。先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人已可以模擬熟練工人甚至高級技術(shù)人員的復(fù)雜操作。

（2）工業(yè)機(jī)器人效率高。與傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)線相比，引入工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線，可無休息的24h 生產(chǎn)，大大提高了工作效率，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生疲勞。

（3）工業(yè)機(jī)器人顯示出一定的智能化。工業(yè)機(jī)器人在預(yù)先輸入程序和操作程序的幫助下，可以自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，識別風(fēng)險(xiǎn)并做出判斷。

2 PLC控制系統(tǒng)分析

可編程邏輯控制器（Programmablelogiccontroller，PLC）具有操作可靠、程序編輯速度快等特點(diǎn)。可編程控制器的基本組成與計(jì)算機(jī)相似，由CPU、內(nèi)存和外部設(shè)備接口（打印機(jī)、顯示器、條形碼閱讀器等）組成?？删幊炭刂破鬟\(yùn)行時(shí)的工作流程如下：第一步是輸入采樣，第二步是用戶程序執(zhí)行，第三步是輸出刷新。如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)圖

3 工業(yè)機(jī)器人的常見類型

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，智能、現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)推動(dòng)了工業(yè)建設(shè)的加快，既可以減少人工勞動(dòng)，又可以提高工作質(zhì)量和效率。

本文對某廠自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)器人的操作進(jìn)行了分析。該廠自動(dòng)化流水線設(shè)計(jì)2臺油壓床，設(shè)有1臺自動(dòng)上料裝置，3臺搬運(yùn)機(jī)器人及2個(gè)移動(dòng)滑床。工廠的具體加工程序?yàn)椋孩偎土?，先用自?dòng)送料裝置將所有毛坯放入第一臺油壓機(jī)的模具中。加工工作完成后，讓機(jī)器人利用磁鐵將坯料輸送到油壓床的指定位置。②放模時(shí)，讓號機(jī)器人按固定標(biāo)準(zhǔn)將模具放在號液壓機(jī)上。③裝卸。液壓床號作業(yè)完成后，3號機(jī)器人會(huì)將相應(yīng)的毛坯件取下，運(yùn)送到下一道工序，自動(dòng)完成上料工作。

4 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到機(jī)械手本身作為一個(gè)重要部件，其主要功能是垂直移動(dòng)并與多層生產(chǎn)線連接。既要保證機(jī)器人的垂直承載能力和運(yùn)動(dòng)要求，又要保證其定位準(zhǔn)確，工作狀態(tài)穩(wěn)定。升降機(jī)構(gòu)主要由汽缸、活塞、傳動(dòng)等組成。在實(shí)際應(yīng)用中，活塞桿是用來驅(qū)動(dòng)活塞垂直運(yùn)動(dòng)的。將機(jī)械手垂直放置在油缸上，固定在活動(dòng)油缸末端，以提升驅(qū)動(dòng)裝置。傳動(dòng)部分帶動(dòng)活塞和活塞桿運(yùn)轉(zhuǎn)。動(dòng)力設(shè)備安裝好后，即可安裝到機(jī)器人中。當(dāng)機(jī)械臂啟動(dòng)時(shí)，端蓋和活塞桿將壓縮空氣輸送到汽缸。利用空氣推進(jìn)裝置，機(jī)器人可以垂直向上移動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人手臂向上移動(dòng)。當(dāng)機(jī)械臂下降時(shí)，壓縮空氣通過活塞桿輸送到汽缸，汽缸向下推動(dòng)機(jī)械臂，完成下降動(dòng)作。

4.2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)是機(jī)器人操作過程中不可缺少的一環(huán)，因此，必須合理設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式機(jī)構(gòu)是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。工作時(shí)應(yīng)充分利用齒輪齒條，將齒條活塞產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)化為軸向力矩，由軸傳力矩驅(qū)動(dòng)操縱器。機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)由大筒子、齒輪、轉(zhuǎn)軸、小筒子、活塞、活塞頭、傳感器、液力自動(dòng)鋼組成。

4.3 手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手抓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。確保機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的正常運(yùn)行是關(guān)鍵。機(jī)械手只能通過換向閥來抓放。整流啟動(dòng)后，壓縮空氣經(jīng)濾清器、減壓閥和單向閥送至儲(chǔ)氣罐，經(jīng)整流閥送至雙夾筒右腔。這時(shí)可以向左移動(dòng)活塞桿固定重物。當(dāng)機(jī)器人抓取和釋放時(shí)，接通方向閥，使左腔內(nèi)的彈簧壓力上下移動(dòng)，釋放右腔內(nèi)的氣體，使機(jī)器人釋放工件。機(jī)械手的爪主要涉及換向閥、齒條、齒輪和軸。這兩個(gè)部分一起工作，旋轉(zhuǎn)機(jī)器人的握手。在實(shí)際操作中，換向閥可以通電。壓縮機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入氣罐，然后通過轉(zhuǎn)向閥進(jìn)入旋轉(zhuǎn)氣缸的左腔，使活塞向右移動(dòng)，活塞向右推動(dòng)機(jī)架。此時(shí)，齒條可以帶動(dòng)齒輪和軸旋轉(zhuǎn)，讓機(jī)器人抓取和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)手柄反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可通過改變換向閥的通風(fēng)位置來實(shí)現(xiàn)。

5 基于自動(dòng)化生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度高，工藝復(fù)雜，安全隱患大。傳統(tǒng)的手工參與方式在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域逐漸被取代。以自動(dòng)化生產(chǎn)線為基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)近年來發(fā)展迅速，逐漸成為現(xiàn)代工廠的主要?jiǎng)趧?dòng)力。其原因是高精度的工業(yè)生產(chǎn)需要較高的勞動(dòng)力，人的身體素質(zhì)和技術(shù)水平難以適應(yīng)高強(qiáng)度連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)，難以平衡生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全因素。

5.1 運(yùn)行模式分析

基于自動(dòng)化生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，需要建立一個(gè)科學(xué)、準(zhǔn)確和標(biāo)準(zhǔn)化的流程來控制機(jī)器人的行動(dòng)路徑，提高機(jī)器人的工作精度，保證其按照預(yù)設(shè)指令和操作規(guī)程完成焊接，組裝，噴繪等具體工作。結(jié)合幾條自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)際調(diào)查，認(rèn)為不同的工藝流程和操作方式對工業(yè)機(jī)器人有不同的要求。例如在沖壓的自動(dòng)化生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人需要依次完成拆料、鈑金、最終沖壓的操作動(dòng)作。在板料對中時(shí)需選擇科學(xué)、適用的對中方式，常使用光學(xué)對中模式，近年來也多使用重力對中方式。

5.2 系統(tǒng)組成分析

以自動(dòng)沖壓生產(chǎn)為例，自動(dòng)沖壓生產(chǎn)包括很多工序，需要不同的工業(yè)機(jī)器人來參與完成。由多個(gè)不同的工業(yè)機(jī)器人組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線還包括壓力系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、定心系統(tǒng)等。機(jī)器人在拆垛過程中的應(yīng)用，可以在避免人工操作風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，大大提高拆垛的質(zhì)量和效率。卸殼平臺主要有兩個(gè)，兩個(gè)卸殼平臺保持連通，可以輪流維護(hù)，保證全天候生產(chǎn)。在系統(tǒng)中加入分料器，可以提高物料分配的準(zhǔn)確性，使給料過程更加合理、科學(xué)。為了進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)器人的回收效率，可以在裝載區(qū)配置拆料車。圖2為自動(dòng)化生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人。

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人

5.3 控制系統(tǒng)分析

結(jié)合自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)層和物理層兩個(gè)方面。①數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層對于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)和精確控制具有重要意義。數(shù)據(jù)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和一定程度的分析。數(shù)據(jù)層功能的完善與否直接影響到自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)層與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換主要通過總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段使用的總線技術(shù)有很多種，其中EPA 技術(shù)應(yīng)用最廣泛。EPA 技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使用的線路少，布局相對簡單。還可以采用DCS 系統(tǒng)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作的捕獲和實(shí)時(shí)控制。一方面可以提高工業(yè)機(jī)器人的操作精度，另一方面也可以避免由于工業(yè)機(jī)器人故障而對數(shù)據(jù)層造成的損壞。②物理層。與數(shù)據(jù)層相比，物理層的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，內(nèi)部組件較多。為了達(dá)到信息共享的目的，現(xiàn)階段的物理層開放性較好，方便員工提取各種數(shù)據(jù)。③交互平臺在控制系統(tǒng)中也發(fā)揮了重要作用。主要的功能在于顯示操作流程和運(yùn)行情況，憑借其可視化的特點(diǎn)，幫助技術(shù)人員便捷地完成系統(tǒng)操作和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素和安全隱患，提升系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

5.4 安全體系分析

安全系統(tǒng)主要是在工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)線的連續(xù)作業(yè)能力。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)車間里，自動(dòng)生產(chǎn)線會(huì)被劃分成不同的區(qū)域。該區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人保持獨(dú)立運(yùn)行，但仍存在一些重疊區(qū)域。如果工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作不能得到有效的控制，重疊區(qū)域的設(shè)備會(huì)相互碰撞，容易造成損壞。這就需要設(shè)計(jì)者有效地規(guī)劃機(jī)器人的動(dòng)作，并借助控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的隔離。同時(shí)，借助軟件和硬件保護(hù)，可以提高工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的安全系數(shù)，預(yù)防和控制故障。

5.5 自動(dòng)化生產(chǎn)線組裝技術(shù)分析

自動(dòng)化生產(chǎn)線是在數(shù)字技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和信息技術(shù)的聯(lián)合支持下完成的。可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。①采用工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用了成熟的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式遠(yuǎn)程操作，保證了工業(yè)生產(chǎn)的效率和控制的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。②自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)得益于資源管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)制造工藝與企業(yè)資源的有效結(jié)合，全面提升工業(yè)技術(shù)，保證自動(dòng)化生產(chǎn)線的信息化和自動(dòng)化。最重要的是定位系統(tǒng)的應(yīng)用，可以快速整合生產(chǎn)線，提高安裝質(zhì)量和安裝精度，在一定程度上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化。③自動(dòng)化柔性管理技術(shù)。該技術(shù)對于管理流和生產(chǎn)流較為復(fù)雜的作業(yè)工序最為適用，在靈活管理的幫助下，一個(gè)開放的控制最終是自動(dòng)化柔性管理，借助柔性管理，構(gòu)建開放式控制的自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，保證各工序的無縫連接。例如對工業(yè)機(jī)器人中的信息輸入輸出模塊進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)接口對接和數(shù)據(jù)傳輸，從而保證不同工業(yè)機(jī)器人和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)。

6 工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展趨勢

6.1 機(jī)器人傳感技術(shù)的研究方向

傳感器在機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展中起著非常重要的作用。在當(dāng)前的開發(fā)環(huán)境下，傳感器的開發(fā)環(huán)境需要進(jìn)一步優(yōu)化。鑒于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，需要擴(kuò)大傳感器的種類，增加傳感器的功能，尋求技術(shù)突破，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

6.2 機(jī)器人焊接主要部件開發(fā)

機(jī)器人廠家需要對機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合各行業(yè)的實(shí)際發(fā)展，提高機(jī)器人焊接技術(shù)。在機(jī)器人核心部件的研究過程中還存在許多空白區(qū)域，這些核心組件相對依賴于進(jìn)口。在技術(shù)不成熟的情況下，只能通過高價(jià)進(jìn)口，這使得機(jī)器人的銷售價(jià)格無法降低。在機(jī)器人焊接技術(shù)的研發(fā)過程中，要打破進(jìn)口的尷尬局面。通過提高智能技術(shù)，將機(jī)器人焊接技術(shù)推向更廣闊的空間，使機(jī)器人焊接技術(shù)更加成熟穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

現(xiàn)階段機(jī)器人在生產(chǎn)線上作業(yè)融合了傳感技術(shù)、跟蹤技術(shù)等多項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)。在各行業(yè)快速發(fā)展的過程中，智能技術(shù)的應(yīng)用與融合，可以幫助各行業(yè)快速、優(yōu)質(zhì)地發(fā)展。在機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用過程中，生產(chǎn)質(zhì)量高，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。