六軸機器人智能抓取單元優(yōu)化設(shè)計

林怡輝，王悅娟

一拖（洛陽）匯德工裝有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展和集成應(yīng)用，鑄造工業(yè)中工業(yè)機器人自動化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，將人類從高溫、高粉塵、油污、噪聲、重復、繁重及電磁干擾的惡劣生產(chǎn)環(huán)境中解放出來，也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但在我國鑄造工業(yè)機器人技術(shù)尚不成熟，特別是不同產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用的機器人抓取單元標準不統(tǒng)一，零部件通用化程度低，質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定，因此，將機器人的抓手實現(xiàn)標準模塊化組合，不僅能夠縮短生產(chǎn)周期及制造成本，而且對于穩(wěn)定質(zhì)量、提高可靠性，實現(xiàn)該類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)都具有重要的意義[1-2]。

本項目是對西班牙洛拉門迪公司生產(chǎn)的冷芯盒制芯單元為主體的機器人抓手單元進行研發(fā)改造，對不同類型的發(fā)動機缸體砂芯組芯的機器人抓取單元依據(jù)功能采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)整氣缸行程和模塊組合實現(xiàn)多品種發(fā)動機缸體砂芯的抓取。同時，采用傳感器技術(shù)，使抓取單元具有自動識別不同品種砂芯的能力，根據(jù)砂芯品種確定抓取位置，并且一次抓取三個砂芯。并對機器人的抓取單元采取特殊的防護措施，確保在高溫、粉塵環(huán)境中抓取單元工作的可靠性，解決原進口機器人抓手故障率高、生產(chǎn)效率低、品種兼固性差的問題，此外，通過對抓取單元的結(jié)構(gòu)進行標準化和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)通用化，為發(fā)動機缸體制芯機器人抓取單元今后進一步的推廣使用以及產(chǎn)業(yè)化做好技術(shù)儲備。

2 項目研發(fā)的主要內(nèi)容

1）智能抓取單元控制系統(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)抓取單元對砂芯的自動拾取、夾緊、去毛刺、搬運、旋轉(zhuǎn)和組合定位動作。

2）抓取單元的機械部分研發(fā)，即：夾緊機功能模塊、定位模塊、旋轉(zhuǎn)模塊的研發(fā)。

3）識別功能模塊的研發(fā)，利用傳感技術(shù)自動識別不同類型的產(chǎn)品，實現(xiàn)識別、分揀功能。

4）對抓取單元結(jié)構(gòu)進行標準化和通用化設(shè)計。

3 項目實施方案

3.1 整體布局與工藝路線

該項目整體布局與改造后的工藝路線分別如圖1、圖2所示。

圖1 整體布局

圖2 改造后工藝路線

3.2 組芯處布置方案

組芯處分為兩臺制芯機共用一臺機器人布置，機器人抓手一次性抓取一臺制芯機上的三個砂芯。

（1）組放方式 一次抓取三個砂芯，旋轉(zhuǎn)180°后放置。

動作說明：改造前為兩臺取芯機器人每一次抓一個砂芯，分別抓取兩臺制芯機砂芯；改造后只需要更換為一臺機器人，并在每一臺制芯機處一次抓取3個砂芯，如若兩種砂芯，可在兩臺制芯機處根據(jù)工藝安排按順序分別抓取3個砂芯，有效提高工作效率。抓手采用框架式結(jié)構(gòu)，抓手本體上安裝有滑臺、頂緊及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過氣缸的伸縮來實現(xiàn)對類似缸體種類砂芯的抓取，通過氣缸推動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)砂芯的90°旋轉(zhuǎn)，另外抓手根據(jù)不同產(chǎn)品可自動調(diào)整砂芯之間的間距，通過仿形去毛刺設(shè)備去毛刺后，保證不同種類的砂芯可放置在組芯臺上。可實現(xiàn)多產(chǎn)品共用抓手，并滿足制芯機特殊制芯要求。

（2）組芯處機器人抓手的方案 機器人抓手采用平移機構(gòu)、頂緊機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在實現(xiàn)抓手的伸縮、旋轉(zhuǎn)、頂緊功能的基礎(chǔ)上，通過平移機構(gòu)可實現(xiàn)機械手適應(yīng)多品種砂芯的抓取，頂緊機構(gòu)可實現(xiàn)與原組芯臺準確配對。

組芯機器人抓手單元如圖3所示。實施效果如圖4所示。

1）夾緊動作。由夾緊機構(gòu)中的三個氣缸分別帶動活動端夾緊臂直線運動，與固定端夾緊臂配合將砂芯定位夾緊。通過氣缸上安裝的接近開關(guān)感測位置，在到達夾緊位置時反饋信號給控制系統(tǒng)。

2）去毛刺動作。機器人抓起三個零件后，進行去砂芯毛刺。

3）旋轉(zhuǎn)動作。砂芯的去毛刺后，由三組氣缸帶動夾緊機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，逆時針旋轉(zhuǎn)90°，使砂芯姿態(tài)由水平放置狀態(tài)轉(zhuǎn)換為豎直狀態(tài)。

圖3 組芯機器人抓手

圖4 實施效果

4）組芯動作。兩側(cè)的兩組夾緊機構(gòu)，由兩組氣動伺服氣缸帶動，在滑軌上滑動，當滑動至程序設(shè)定的位置后，氣缸上帶有的集成位移編碼器發(fā)出信號，氣動伺服系統(tǒng)中的比例方向控制閥與之配合，通過控制電磁閥的氣流量大小，來控制氣缸的運動速度和停止位置，移動的重復位置精度可達到±0.2mm。

3.3 浸涂處布置方案

浸涂處分為上線共用一臺機器人布置，機器人抓手分別抓取來自浸涂中轉(zhuǎn)臺或人工上芯處的砂芯（見圖5）。

圖5 浸涂處布置

（1）浸涂處機器人操作流程 人工上料：到位→抓取→浸涂→上線；中轉(zhuǎn)臺供料：放件→旋轉(zhuǎn)→抓取→浸涂→上線。

動作說明：機器人到達浸涂中轉(zhuǎn)臺后，平移機構(gòu)到位，夾緊相應(yīng)產(chǎn)品。機器人到達浸涂池后，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)做相應(yīng)動作，完成浸涂、瀝干等工作。浸涂完成后，機器人把產(chǎn)品放置在烘干上線處，平移機構(gòu)打開，機器人復位。浸涂處抓手兼顧多品種。采用龍門結(jié)構(gòu)，夾具本體上安裝有導軌，通過氣缸拉動滑座實現(xiàn)龍門寬度尺寸變化對砂芯進行抓取。抓手一端的滑座安裝有伺服電動機和減速機帶動花鍵軸旋轉(zhuǎn)，花鍵軸通過鏈帶動抓手旋轉(zhuǎn)，使砂芯旋轉(zhuǎn)，以滿足浸涂翻轉(zhuǎn)、回擺的要求。

（2）浸涂處機器人抓手的方案 浸涂處機器人抓手結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 浸涂處機器人抓手結(jié)構(gòu)

抓取說明：①機器人到達相應(yīng)取料口后，平移機構(gòu)到位，夾緊相應(yīng)產(chǎn)品。②機器人到達浸涂池后，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)做相應(yīng)動作，完成浸涂、瀝干等工作。③浸涂完成后，機器人把產(chǎn)品放置在烘干上線處，平移機構(gòu)打開，機器人復位。

抓手優(yōu)勢分析：①機構(gòu)簡單，可靠。②翻轉(zhuǎn)機構(gòu)采用花鍵軸連接，實現(xiàn)兩側(cè)同步切換。③抓手采用伺服電動機驅(qū)動切換及翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，重復性定位精度高。

浸涂機器人抓手實施效果如圖7所示。

1）夾緊動作。由夾緊機構(gòu)中的兩個氣缸帶動活動端夾緊臂直線運動，將砂芯定位夾緊。通過氣缸上安裝的接近開關(guān)感測位置，在到達夾緊位置時反饋信號給控制系統(tǒng)。

2）旋轉(zhuǎn)動作。砂芯完成浸涂后，由伺服電動機帶動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，使砂芯繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，完成浸涂液的充分浸涂并瀝干。

圖7 浸涂機器人抓手實施效果

3.4 浸涂系統(tǒng)

浸涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 浸涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）清洗池特點 再帶循環(huán)系統(tǒng)；自動檢測液面高度；自帶隔膜泵，可以將池內(nèi)的水循環(huán)使用。

（2）浸涂池特點 自帶涂料循環(huán)攪拌系統(tǒng)，保證在長時間生產(chǎn)過程中涂料不會產(chǎn)生沉淀結(jié)塊等情況，整個浸涂池內(nèi)無死點。

（3）補液池特點 自帶涂料循環(huán)攪拌器；自帶隔膜泵，可以自動將準備好的涂料輸送到自動涂料池內(nèi)。

4 本項目完成情況及社會效益

4.1 實現(xiàn)主要技術(shù)指標

1）抓取單元抓取總質(zhì)量250kg。

2）具備自動識別功能，一次可同時抓取三件，并進行自動拾取、夾緊、旋轉(zhuǎn)、組合定位動作。

3）重復定位精度為±0.2mm。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）控制系統(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)抓手對砂芯的自動拾取、夾緊、去毛刺、旋轉(zhuǎn)和組合定位動作。

2）機械部分研發(fā)，即研發(fā)抓取單元的機械部分，對于完成多功能，高效可靠的動作。

3）利用光電結(jié)合的傳感器實現(xiàn)不同產(chǎn)品自動識別、分撿功能，實現(xiàn)多品種共線的柔性生產(chǎn)要求。

4.3 設(shè)計方案優(yōu)勢、創(chuàng)新點

1）改善原有抓手結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一次抓取三個砂芯，提高生產(chǎn)效率。

2）抓手結(jié)構(gòu)有伸縮功能，實現(xiàn)與原組芯臺準確配對。

3）借用目前產(chǎn)品識別方式，不改變生產(chǎn)習慣，不改變原桁架后續(xù)動作。

機器人及其抓取單元除結(jié)構(gòu)實行標準化、系列化外，而且向著輕型、快速、靈敏、抓取質(zhì)量更大的方向發(fā)展。在為公司創(chuàng)造效益的同時，也為客戶節(jié)省了開支，也給其他單位生產(chǎn)線的改造利用提供了切實可行的寶貴經(jīng)驗。

4.4 社會效益

1）本項目為在智能化機器人贏得質(zhì)量與效率雙幅提升的同時，對于降低成本，減少用工，優(yōu)勢也顯露無遺。

2）鑄造機器人自動化與智能化很好地迎合了時代發(fā)展的需求，顯現(xiàn)出極強的生命力，為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

3）本項目研發(fā)可用于工況惡劣環(huán)境，可以減少傳統(tǒng)操作的環(huán)境噪聲、切削液有毒氣味對工人身體健康的損害，減少工傷事故造成的家庭痛苦和社會危害，降低社會負擔。