管接件上下料工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

戚順平 梁松千 唐玉芝

（南通愛慕希機(jī)械股份有限公司，南通 226000）

近年來，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越普遍，尤其在加工生產(chǎn)線上充當(dāng)了重要角色，大幅提高了工作精度和工作效率[1]。南通愛慕希機(jī)械股份有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)一臺(tái)用于管接件自動(dòng)上下料的工業(yè)機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱管接件上下料機(jī)器人）。該管接件上下料機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)待加工管接件的拾取，并依照加工工序，將待加工管接工件依次送入兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床的規(guī)定位置裝夾和加工。管接件數(shù)控加工完成后，管接件上下料機(jī)器人從數(shù)控機(jī)床上取下加工好的管接件，放到指定位置，完成下料工作。

1 相關(guān)技術(shù)要求

單臺(tái)機(jī)床自動(dòng)裝夾時(shí)間＜10s；更換產(chǎn)品允許調(diào)整時(shí)間小于20min；管接件重量小于1kg；管接件尺寸變化范圍：Φ10mm～Φ30mm；上下料工作范圍：2500mm×600mm×50mm；運(yùn)轉(zhuǎn)率大于98%；故障率小于0.1%；具有急停和工作區(qū)域安全防護(hù)功能。

2 主要功能

2.1 振動(dòng)上料及缺料報(bào)警

操作人員將待加工管接件倒入振動(dòng)上料機(jī)的料斗中，振動(dòng)上料機(jī)通過機(jī)械振動(dòng)的方式依次逐個(gè)將待加工管接件以一定姿態(tài)排放到規(guī)定的位置，供上下料四坐標(biāo)機(jī)器人前來拾取。如果料斗中沒有待加工管接件或數(shù)量不足，則振動(dòng)上料機(jī)缺料報(bào)警。

2.2 工件拾取和檢測(cè)

振動(dòng)上料機(jī)將待加工的管接件以一定的姿態(tài)排放到規(guī)定的位置，管接件上下料機(jī)器人移動(dòng)到該位置，自動(dòng)拾取待加工管接件，并傳感檢測(cè)和確定管接件是否正確拾取。

2.3 工件在機(jī)床上的上料和下料

管接件上下料機(jī)器人移動(dòng)至指定數(shù)控加工機(jī)床位置，待機(jī)床完成加工工序，將機(jī)床夾具中的管接件取出，并將另一個(gè)待加工的管接件放入夾具中。裝夾完畢，管接件上下料機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床通信[2]。

2.4 工件的旋轉(zhuǎn)調(diào)姿

2.5 計(jì)算機(jī)輔助編程

采用開放式的計(jì)算機(jī)輔助編程平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的拾取、放置、旋轉(zhuǎn)調(diào)姿、振動(dòng)上料、檢測(cè)以及管接件上下料機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)輔助編程。

2.6 安全與防護(hù)

2.6.1 設(shè)備急停

按下急停按鈕時(shí)，管接件上下料機(jī)器人執(zhí)行停電程序。急停按鈕按人機(jī)工程原則安裝在設(shè)備合理位置。急停按鈕未經(jīng)手動(dòng)復(fù)位，不能恢復(fù)通電。急停功能由設(shè)備硬件直接執(zhí)行，不通過軟件實(shí)現(xiàn)。

2.6.2 工作區(qū)安全防護(hù)

設(shè)備的左、右側(cè)和前方都安裝有安全防護(hù)光柵，以防止人員誤入工作區(qū)。防護(hù)光柵報(bào)警時(shí)，管接件上下料機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行暫停程序；待排除故障后，按下恢復(fù)按鈕，設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。

2.7 故障報(bào)警

依據(jù)來自傳感測(cè)器、防護(hù)光幕等的測(cè)量信息及管接件上下料工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行情況，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，并依據(jù)具體狀況進(jìn)行報(bào)警。

3 組成與結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械部分主要由上下料四坐標(biāo)機(jī)器人、機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器、振動(dòng)上料機(jī)以及工件轉(zhuǎn)向器等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 管接件上下料工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)與布局

（1）振動(dòng)上料機(jī)以機(jī)械振動(dòng)的方式，將待加工管接件逐個(gè)送到一個(gè)指定的位置，供上下料四坐標(biāo)機(jī)器人前來抓取加工。

2.尋求原因。在對(duì)錯(cuò)誤造成影響進(jìn)行控制和處理后，反思錯(cuò)誤的原因和根源，對(duì)相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行確定，進(jìn)行一個(gè)順位責(zé)任原因排序，為之后的容錯(cuò)糾錯(cuò)和依法追責(zé)提供第一手的材料和信息。

（2）上下料四坐標(biāo)機(jī)器人用于實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)和C向的旋轉(zhuǎn)。X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)范圍為：2500mm×600mm×50mm。機(jī)器人各坐標(biāo)均由伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、滾珠導(dǎo)軌、絲杠運(yùn)動(dòng)副、齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副、非標(biāo)準(zhǔn)零件、聯(lián)軸器、軸承及標(biāo)準(zhǔn)件等構(gòu)成，如圖2所示。

（3）機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器（見圖2）主要實(shí)現(xiàn)管接件的抓取和放置。它裝有兩個(gè)氣動(dòng)夾具，并配有C向的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用于待加工件和加工完成件的抓放。

（4）工件轉(zhuǎn)向器（見圖2）用于將上下料四坐標(biāo)機(jī)器人從數(shù)控機(jī)床M中取出的管接件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)姿，以便裝夾到機(jī)床N中開展下一工序的加工。

圖2 管接件上下料工業(yè)機(jī)器人和工件轉(zhuǎn)向器

3.2 電氣與氣動(dòng)單元

電氣單元，也就是管接件上下料工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，主要包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、四坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制器、操作面板、液晶顯示器、電控柜、與兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床及震動(dòng)上下料機(jī)的通信接口、物料傳感器和限位開關(guān)、安全防護(hù)器件或裝置、故障報(bào)警及三色燈顯示裝置等。

氣動(dòng)單元主要包括工件轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)調(diào)姿氣缸、機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器抓取和放置工件的氣動(dòng)夾具、電磁換向閥、節(jié)流閥、快速接頭等氣動(dòng)元器件及管材、輔件，主要實(shí)現(xiàn)工件上下料的抓取與放置以及工件的轉(zhuǎn)向調(diào)姿。

3.3 測(cè)控及人機(jī)交互軟件

管接件上下料機(jī)器人的測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)上下料四坐標(biāo)機(jī)器人、振動(dòng)上料機(jī)、工件轉(zhuǎn)向器、機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)與兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床的裝夾工件握手通信，實(shí)現(xiàn)物料傳感信息的采集與處理、限位開關(guān)信號(hào)以及故障報(bào)警與顯示信息處理等[3]。

人工交互軟件包括：輔助編程平臺(tái)、操作與顯示界面。輔助編程平臺(tái)為新型號(hào)管接件的自動(dòng)上下料提供一個(gè)編程軟件環(huán)境，操作人員利用此輔助編程平臺(tái)，對(duì)上下料工作流程、動(dòng)作和節(jié)拍進(jìn)行編程，并對(duì)工件的抓取與放置位置、機(jī)器人移動(dòng)速度等進(jìn)行編程。操作與顯示界面為操作人員提供一個(gè)管接件上下料現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)，幫助操作人員完成手動(dòng)、自動(dòng)、移動(dòng)速度倍率、節(jié)拍等的轉(zhuǎn)換和調(diào)整。顯示界面用于顯示上下料工作流程和狀態(tài)，支持對(duì)工作過程的監(jiān)控。

4 工作原理及流程

（1）操作人員將待加工管接件放進(jìn)振動(dòng)上料機(jī)料斗，振動(dòng)上料機(jī)振動(dòng)上料；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至左端振動(dòng)上料機(jī)出料口位置；機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器從振動(dòng)上料機(jī)出料口拾取一個(gè)待加工管接件；機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°繼續(xù)拾取第二個(gè)待加工管接件。

（2）上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至管接件數(shù)控加工機(jī)床M；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床M通過實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，將拾取的待加工管接件放入數(shù)控加工機(jī)床M的夾具上正確裝夾；裝夾完畢后，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人退出數(shù)控加工機(jī)床M；數(shù)控加工機(jī)床M開始管接件第一工序的加工。

（3）待加工完畢，數(shù)控加工機(jī)床M與上下料四坐標(biāo)機(jī)器人通過實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人從數(shù)控加工機(jī)床M的夾具上取出已完成第一道工序加工的管接件（簡(jiǎn)稱管接件半成品）；然后，機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°，拾取的第二個(gè)待加工管接件放入數(shù)控加工機(jī)床M的夾具上正確裝夾。

（4）裝夾完畢后，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人退出數(shù)控加工機(jī)床M；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至工件轉(zhuǎn)向器所在位置，將上下料末端執(zhí)行器上的管接件半成品放入工件轉(zhuǎn)向器，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)姿；調(diào)姿完畢，上下料末端執(zhí)行器重新拾取管接件半成品，并移動(dòng)至數(shù)控加工機(jī)床N；機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床N通過實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，將管接件半成品放入數(shù)控加工機(jī)床N的夾具上正確裝夾。

（5）裝夾完畢后，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人退出數(shù)控加工機(jī)床N；數(shù)控加工機(jī)床N開始管接件第二工序的加工；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至左端振動(dòng)上料機(jī)出料口位置；機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器從振動(dòng)上料機(jī)出料口拾取一個(gè)待加工管接件。

（6）上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至管接件數(shù)控加工機(jī)床M；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床M通過實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°從數(shù)控加工機(jī)床M的夾具上取出已完成第一道工序加工的管接件接件半成品；然后，機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°將拾取的待加工管接件放入數(shù)控加工機(jī)床M的夾具上正確裝夾。

（7）裝夾完畢后，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人退出數(shù)控加工機(jī)床M；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至工件轉(zhuǎn)向器所在位置，將上下料末端執(zhí)行器上的管接件半成品放入工件轉(zhuǎn)向器，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)姿；調(diào)姿完畢，上下料末端執(zhí)行器重新拾取管接件半成品，并移動(dòng)至數(shù)控加工機(jī)床N。

（8）上下料四坐標(biāo)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床N通過實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，從數(shù)控加工機(jī)床N的夾具上取出已完成第二道工序加工的管接件（簡(jiǎn)稱管接件成品）；然后，機(jī)器人上下料末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)180°將管接件半成品放入數(shù)控加工機(jī)床N的夾具上正確裝夾。

（9）裝夾完畢后，上下料四坐標(biāo)機(jī)器人退出數(shù)控加工機(jī)床N；上下料四坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)至右端成品傳輸機(jī)，將加工完成兩道工序的管接件成品放置到工件傳輸機(jī)上；上下料機(jī)器人移動(dòng)至左端振動(dòng)上料機(jī)出料口位置，就此首次完成一個(gè)完整的工件加工循環(huán)；工作流程跳入步驟（5），開始循環(huán)。

5 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，本文設(shè)計(jì)的上下料工業(yè)機(jī)器人就是輸送線上的典型應(yīng)用，其工作運(yùn)行具有高效性、持久性和準(zhǔn)確性[4]。使用工業(yè)機(jī)器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高機(jī)床的利用率，降低工人誤操作帶來的殘次零件風(fēng)險(xiǎn)等，其帶來的其他效益也十分明顯，如減少人工用量、減少機(jī)床損耗、加快技術(shù)創(chuàng)新速度和提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等。機(jī)器人具有執(zhí)行各種任務(wù)特別是高危任務(wù)的能力，比傳統(tǒng)的自動(dòng)化工藝更加先進(jìn)。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人將會(huì)發(fā)揮更重要的作用。