基于機(jī)器人自動(dòng)供料裝置的研制

周大威，耿傳熙，潘 波，劉木林，陳榮青

（邁得醫(yī)療工業(yè)設(shè)備股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317600）

在產(chǎn)品生產(chǎn)組裝過程中，自動(dòng)化供料一直是提高生產(chǎn)效率的重要手段。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，供料結(jié)構(gòu)不斷被優(yōu)化，傳統(tǒng)的手工上料面臨著效率低下的問題，并始終無法解決，所以逐漸被自動(dòng)化供料取代。自動(dòng)化供料可以大大減少各種自動(dòng)化組裝的人力，顯著提高工作效率，也避免了機(jī)械設(shè)備與人的直接接觸，大大提高了操作人員的安全，已被廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化組裝設(shè)備中[1]。

本裝置采用CCD 定位系統(tǒng)和蛛型機(jī)械手，可以解決傳統(tǒng)振盤解決不了的薄片類、易刮擦損傷類異性工件上料難、易卡料的難題，更可滿足當(dāng)前自動(dòng)化中的異性物料、大批量的供料需求。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)供料裝置總裝圖如1 所示。自動(dòng)供料裝置共分為3 部分，分別是供料結(jié)構(gòu)、蛛形機(jī)器人吸取結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖1 自動(dòng)供料裝置總裝圖

圖2 自動(dòng)供料裝置各結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置能供料的物品種類多，本次試驗(yàn)以滴斗為例，如圖3 所示。所搬運(yùn)的滴斗外形復(fù)雜，若用普通振動(dòng)盤供料則容易劃傷表面，且不容易分離重疊的物料和控制滴斗出料時(shí)的方向。

圖3 滴斗3D 模型圖

1.1 供料結(jié)構(gòu)

供料部分主要包括供料料倉和料盒，如圖4 所示。

圖4 滴斗供料結(jié)構(gòu)圖

本結(jié)構(gòu)共有4 個(gè)供料料倉，料倉用SUS304 不銹鋼制作，表面光滑，不會(huì)擦傷物料表面。通過調(diào)整料倉前擋板的安裝高度，可以調(diào)整出料量。料倉底部的振動(dòng)盤不斷振動(dòng)，滴斗會(huì)掉落到料盒中，料盒兩側(cè)的光纖傳感器檢測(cè)到滴斗已裝滿時(shí)，會(huì)將此信息反饋給供料料倉底部的直振，讓它停止振動(dòng)。同時(shí)，料盒一旁的氣缸伸出打開擋板，物滴斗全部進(jìn)入柔性振盤上。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)料倉沒料時(shí)，電缸會(huì)控制料盒移動(dòng)到第二個(gè)料倉卸料處，以此類推。

1.2 蛛形機(jī)器人吸取結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)由CCD 相機(jī)、柔性振盤、載具線和蛛形機(jī)器人4 部分組成，如圖5 所示。

圖5 蛛形機(jī)器人吸取結(jié)構(gòu)圖

柔性振盤上裝有透明PC（聚碳酸酯）的儲(chǔ)料板，之所以采用透明PC 板，是因?yàn)槿嵝哉癖P底座有發(fā)光源，CCD 通過發(fā)光源捕獲取滴斗的位置，并將此信息反饋給蛛形機(jī)械手。該P(yáng)C 板上有橫向和豎向交叉2種槽口，通過不斷振動(dòng)，利于將堆疊在一起的滴斗振散，同時(shí)使滴斗只能以橫向或者豎向的朝向置于儲(chǔ)料板上。并根據(jù)儲(chǔ)料板上的滴斗密度，判斷供料料倉是否向柔性振盤內(nèi)加料。蛛形機(jī)械手底部裝有真空發(fā)生器和真空吸盤，通過CCD 系統(tǒng)反饋的信息，機(jī)械手會(huì)移動(dòng)到有滴斗的位置，真空發(fā)生器會(huì)控制真空吸盤，成功吸取滴斗，并根據(jù)CCD 反饋的信息調(diào)整滴斗的朝向，能以統(tǒng)一的朝向放進(jìn)載具內(nèi)，載具通過電機(jī)控制同步輪和同步帶完成循環(huán)。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，CCD 相機(jī)配合蛛形機(jī)器人可精準(zhǔn)、穩(wěn)定、快速吸取滴斗。使用CCD 拍下的滴斗位置情況如圖6 所示。

圖6 CCD 拍照情況圖

1.3 翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)利用裝在搖臂末端的取料上下氣缸和取料手指夾夾取滴斗腰部位置進(jìn)行搬運(yùn)。本結(jié)構(gòu)利用電機(jī)帶動(dòng)同步輪和同步帶，讓滴斗實(shí)現(xiàn)一定距離的翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)。由于搖臂始端和末端的齒輪大小不一致，可以在翻轉(zhuǎn)過程中使原本在載具上的滴斗由水平方向變?yōu)榻M裝機(jī)構(gòu)所需的垂直方向，如圖7 所示。

圖7 翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)圖

1.4 滴斗自動(dòng)供料裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)采用柔性振盤振散滴斗，解決了卡料、分料不均勻、疊料等難題；CCD 捕捉滴斗位置，蛛形機(jī)械手吸取滴斗，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定的拾取分揀、搬運(yùn)操作，大大提高了工作效率，并且不會(huì)擦傷滴斗表面；翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)改變滴斗朝向與位置，提高了后續(xù)組裝的便捷性[2]。本供料裝置可滿足基本的功能需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供料。

2 內(nèi)壁通氣檢測(cè)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制供料結(jié)構(gòu)、機(jī)械手吸取結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)和主機(jī)交互工作狀態(tài)。通過PLC 實(shí)時(shí)控制供料系統(tǒng)的供料量、機(jī)械手吸取物料的情況和翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)的情況[3-4]。整機(jī)控制方案如圖8 所示。

圖8 整機(jī)控制系統(tǒng)方案圖

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

本設(shè)備整體控制系統(tǒng)以PLC 為核心，完成氣缸、氣爪、伺服電機(jī)的檢測(cè)控制、運(yùn)動(dòng)控制和指示燈的控制，同時(shí)裝配Proface 觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互，硬件模塊布局如圖9 所示。

圖9 硬件模塊布局圖

輸入輸出分配如表1 所示。整體控制系統(tǒng)以PLC為核心，選用了歐姆龍伺服驅(qū)動(dòng)器、歐姆龍電機(jī)、Proface 觸摸屏、正泰電器等硬件。

表1 輸入輸出信號(hào)

整機(jī)控制程序較龐大，主要分為公共程序、伺服電機(jī)程序和檢測(cè)控制程序等，能夠?qū)崿F(xiàn)初始化運(yùn)行、位置控制、檢測(cè)控制、故障處理等各項(xiàng)任務(wù)，PLC 的輸出控制主要是通過直接輸出或者輔助繼電器輔助實(shí)現(xiàn)的。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)備使用了Proface 人機(jī)界面，通過與PLC 的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控及操作。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性原則，觸摸屏畫面以自動(dòng)生產(chǎn)畫面為主界面。有設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、位置參數(shù)和手動(dòng)操作的按鈕窗口，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的設(shè)定及手動(dòng)操作等。

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)用性原則，觸摸屏畫面以生產(chǎn)畫面為主界面，下設(shè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、工藝設(shè)定等子窗口，通過按鈕切換進(jìn)入。主畫面主要顯示設(shè)備實(shí)時(shí)工況，如圖10 所示。

圖10 人機(jī)界面主畫面

3 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)，本裝置產(chǎn)量可以達(dá)到2 200 Pcs/h，合格率可穩(wěn)定在99.9%，能滿足自動(dòng)化供料的需求。

本設(shè)備通過柔性振盤振散物料，利用CCD 捕捉物料位置，利用蛛形機(jī)械手吸取物料，利用翻轉(zhuǎn)搬運(yùn)結(jié)構(gòu)改變物料朝向與位置實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)化供料；同時(shí)，采用不銹鋼材料大幅提高了機(jī)構(gòu)的潔凈度與使用壽命，為不同類型物料的自動(dòng)供料提供了很好的思路和驗(yàn)證基礎(chǔ)。