機(jī)械手在汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀中的應(yīng)用

王立凱，楊 娜，剛發(fā)云

（1.沈陽(yáng)艾博斯特科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng)1100211；2.廊坊廣廈新源石化設(shè)備制造有限公司，河北 廊坊065600）

1 引 言

目前，我國(guó)大、中型汽車(chē)零配件制造企業(yè)已普遍裝備了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)汽車(chē)零配件的分類(lèi)和分揀及安全隱患的監(jiān)測(cè)和控制能力顯著增強(qiáng)，有效降低和避免了汽車(chē)零配件事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。但是，部分制造企業(yè)對(duì)于汽車(chē)零配件分揀工作實(shí)時(shí)效率并不高，難以適應(yīng)的發(fā)展需求。因此，在汽車(chē)零配件分揀過(guò)程中，不能及時(shí)采用機(jī)械手進(jìn)行各種零配件的分揀，給汽車(chē)零配件制造企業(yè)帶來(lái)比較大的負(fù)面影響。而在當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境下，采用機(jī)械手來(lái)輔助零配件生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀，則非常有利于汽車(chē)零配件的成品分揀工作的進(jìn)行。

2 機(jī)械手及汽車(chē)零配件的成品分揀概述

2.1 汽車(chē)零配件的成品分揀

在當(dāng)前的汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)的成品制造過(guò)程中，通常都是使用人力進(jìn)行汽車(chē)零配件的分揀工作，相比于機(jī)械手的分揀工作而言，這種分揀方式無(wú)疑會(huì)在很大程度上額外增加企業(yè)的成本。而隨著工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)和在汽車(chē)零配件成品分揀的應(yīng)用，它的優(yōu)越性逐漸體現(xiàn)，它不但能夠精準(zhǔn)地將汽車(chē)零配件傳送到相應(yīng)的分揀處，并且全面提高分揀工作的效率，降低工作成本。

2.2 成品分揀中的傳送功能

在汽車(chē)零配件制造之后，零配件都會(huì)按照一定的流程從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸出來(lái)進(jìn)行必要的分揀，在此過(guò)程中基本都是使用皮帶來(lái)進(jìn)行傳送，然后在分揀機(jī)械手的內(nèi)置傳感器進(jìn)行成品的各種數(shù)據(jù)的信息采集，在汽車(chē)零配件被傳送之后，機(jī)械手則會(huì)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)變頻器，讓自身的三相異步電機(jī)開(kāi)始工作，只有在皮帶上的配件經(jīng)過(guò)電感、電容的傳感器時(shí)，則汽車(chē)零配件的信息會(huì)傳輸?shù)綑C(jī)械手系統(tǒng)中，完成汽車(chē)零配件傳送工作。

2.3 機(jī)械手的搬運(yùn)功能

在汽車(chē)零配件的生產(chǎn)線(xiàn)上，單純的依靠和利用皮帶的傳送功能依然很難保證各種汽車(chē)零配件能夠傳送到指定位置，而且，整個(gè)汽車(chē)零配件的生產(chǎn)數(shù)量巨大，各種分揀工作并不能一次性地完成，必須要利用機(jī)械手來(lái)進(jìn)行輔助的成品分揀和搬運(yùn)，這種能力應(yīng)用在整個(gè)汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀中，可以極大化地減少人力使用。為此，在機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽車(chē)零配件生產(chǎn)流程進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，重點(diǎn)保證在傳送帶汽車(chē)零配件的精準(zhǔn)傳送和機(jī)械手的信號(hào)抓取，從而可以很好地控制機(jī)械手自動(dòng)下降，將汽車(chē)零配件進(jìn)行抓取，完成必要的分揀工作，保證汽車(chē)零配件分揀工作有序的進(jìn)行。

3 汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀中機(jī)械手的應(yīng)用

隨著我國(guó)汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀信息自動(dòng)化程度的不斷提高，保證分揀工作的安全運(yùn)行的重要措施即為通過(guò)采用各種工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行輔助分揀工作，它的建設(shè)正在被許多汽車(chē)零配件制造企業(yè)提上日程，成為制造行業(yè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題。雖然機(jī)械手還不如人手那樣靈活，但是機(jī)械手本身具有重復(fù)工作和勞動(dòng)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到零配件的成品分揀是趨勢(shì)。在此次研究中，本文充分結(jié)合視覺(jué)傳感器和西門(mén)子PLC 控制2 自由度并聯(lián)機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品的分揀工作，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)零配件的成品分揀工作的自動(dòng)化。

3.1 汽車(chē)零配件成品分揀的檢測(cè)

在汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀中，關(guān)鍵的一點(diǎn)即為需要機(jī)械手視覺(jué)系統(tǒng)，比如，攝像機(jī)、轉(zhuǎn)鼓等，必要首先要做好對(duì)汽車(chē)零配件成品的圖像獲取、處理和分析、完成分揀工作等。

為此，首先需要先設(shè)定汽車(chē)零配件的檢測(cè)條件，檢測(cè)零配件外觀是否正常；其次，進(jìn)行汽車(chē)零配件成品的分揀輸出信號(hào)。檢測(cè)之后，由機(jī)械手的視覺(jué)傳感器控制機(jī)械手臂進(jìn)行分揀；接著，進(jìn)行汽車(chē)零配件成品分揀工作的精度控制。對(duì)此，主要是采用130 萬(wàn)像素的高精度視覺(jué)并配合高穩(wěn)定度平行背光源來(lái)完成汽車(chē)零配件成品的檢測(cè)；最后，則是汽車(chē)零配件的檢測(cè)過(guò)程，機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)將成品發(fā)送到機(jī)械手的控制系統(tǒng)，完成汽車(chē)零配件成品分揀數(shù)據(jù)采集，并且將結(jié)果輸出給控制器進(jìn)行分揀。

3.2 汽車(chē)零配件成品分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

根據(jù)分析，在汽車(chē)零配件成品分揀中采用的機(jī)械手主要是具有兩平動(dòng)自由度的高速并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)。該機(jī)械手則由兩條主動(dòng)和被動(dòng)支鏈，還有一個(gè)動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)組成。然后進(jìn)行不同的角度與動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，保證兩個(gè)使被動(dòng)支鏈不會(huì)同時(shí)處于奇異形位，從而能夠可約束動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，在分揀中采用兩條被動(dòng)支鏈還可提高機(jī)械手在與其工作平面垂直方向的剛度，以此來(lái)全面實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在其工作平面內(nèi)的高速運(yùn)動(dòng)。此外，在汽車(chē)零配件成品分揀的中，對(duì)于機(jī)械手的可達(dá)工作空間中一般是選取寬為b、高為h、與靜平臺(tái)相距H 的矩形區(qū)域。

3.3 汽車(chē)零配件成品分揀機(jī)械手電動(dòng)機(jī)的選擇

在汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀工作中，由于機(jī)械手需要來(lái)回的高速運(yùn)動(dòng)，完成成品的分揀工作，因此必須要做好機(jī)械手的選擇，只有如此才能滿(mǎn)足汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀，所以一般情況下要求汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀機(jī)械手的控制電機(jī)必須具有以下特點(diǎn)：第一，指令信號(hào)獲取的快速性。在正常的情況下，由于機(jī)械手工作速度比較高，因此，機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)對(duì)于指令的獲取必須要短。只有電機(jī)的響應(yīng)指令信號(hào)的時(shí)間越短，整個(gè)機(jī)械手的靈敏度才能越高，快速響應(yīng)性能才能更好；第二，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。在汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀工作中，機(jī)械手的在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。第三，必須要做好的機(jī)械手控制特性的連續(xù)性和直線(xiàn)性，調(diào)整好整個(gè)機(jī)械手的控制信號(hào)；第四，保證做好機(jī)械手電機(jī)的調(diào)速范圍寬，并且需要做好機(jī)械手電機(jī)各種運(yùn)行條件的保障，讓這些條件能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。

此外，在當(dāng)前的汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀工作中，由于高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)線(xiàn)成品分揀工作中得到廣泛應(yīng)用，按照相關(guān)的資料來(lái)看，這種電機(jī)一般負(fù)載1000N，并且多數(shù)的機(jī)械手采用是AC 伺服電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC 伺服電動(dòng)機(jī)。對(duì)于此次研究的汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀，則主要是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)分析，這種電機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)，其工作的原理主要是采用變磁阻原理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將數(shù)字的電脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)在工作中能夠?yàn)闄C(jī)械手提供較大的轉(zhuǎn)矩和換向及大范圍的調(diào)速，因此，對(duì)于汽車(chē)零配件成品生產(chǎn)線(xiàn)上的成品分揀機(jī)械手選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)。

3.4 汽車(chē)零配件成品分揀機(jī)械手的PLC 控制分析

根據(jù)分析，西門(mén)子S7-200PLC 具有體積小、速度快、通信能力強(qiáng)、可靠性高、功能全面等優(yōu)點(diǎn)。這種plc 對(duì)于各個(gè)行業(yè)的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，尤其是在一些成品的分揀、檢測(cè)及控制等過(guò)程中。為此，本文對(duì)于汽配件成品的分揀則主要選用兩個(gè)西門(mén)子S7-200PLC 來(lái)控制機(jī)械手的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。在具體的實(shí)踐中，首先假設(shè)汽車(chē)零配件的成品從靜止位置PO向傳送帶移動(dòng)，移動(dòng)至P1 后向下抓取合格的產(chǎn)品后迅速移動(dòng)到P1，然后，水平移動(dòng)經(jīng)過(guò)P1,PO,P1，放下產(chǎn)品，再回到PO 位置的單次過(guò)程。其次，采用MSC.ADAMS 仿真軟件進(jìn)行汽車(chē)零配件成品分揀的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，得到運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)圖，解析出整個(gè)汽車(chē)零配件機(jī)械手成品分揀的曲線(xiàn)，輸入到機(jī)械手中。而對(duì)于一些不合格的汽車(chē)零配件的成品，則還需要人工結(jié)合觸摸屏來(lái)進(jìn)行控制或者顯示產(chǎn)品等，讓整個(gè)成品的分揀工作更方便，結(jié)果更 直觀。

4 總 結(jié)

綜上所述，由于當(dāng)前社會(huì)的迅速發(fā)展，汽車(chē)零配件制造企業(yè)為了適應(yīng)當(dāng)今市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)情況，必須利用自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行零配件的成品分揀工作，而將機(jī)械手在汽車(chē)零配件生產(chǎn)線(xiàn)上成品分揀中推廣并應(yīng)用，無(wú)疑是比較可選的路徑之一，這種機(jī)械手的應(yīng)用不僅能夠有效減少人工成本，而且可以更好地提升零配件分揀工作的效率。因此，作為大、中型汽車(chē)零配件制造企業(yè)的管理者，必須要重視工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)汽車(chē)零配件的分類(lèi)和分揀帶來(lái)的巨大幫助，及時(shí)的更新人工智能制造領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，立足自身的需求，引進(jìn)一些必要的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，保證精準(zhǔn)識(shí)別汽車(chē)零配件分揀的各項(xiàng)參數(shù)，全面提高汽車(chē)零配件的分揀工作效率。