基于人機(jī)協(xié)作的諧波減速器裝配方案設(shè)計(jì)

王世新，侯寶剛

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，天津300000）

在“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，人工智能得到了飛速發(fā)展，制造企業(yè)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)型與升級(jí)[1]。用戶需求的多樣化和產(chǎn)品周期的縮短推動(dòng)了多品種、小批量生產(chǎn)方式的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)機(jī)器人面臨各種問題，適應(yīng)柔性生產(chǎn)的協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[2]提出的基于人機(jī)協(xié)作的小零件電子產(chǎn)品裝配模式，結(jié)果表明產(chǎn)量得到了提高，人力資源成本也顯著提高；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的小規(guī)模貼片操作人機(jī)協(xié)作方案，也證明了人機(jī)協(xié)作產(chǎn)線具有柔性，可減少重復(fù)性勞損和意外受傷。本文旨在設(shè)計(jì)一種裝配諧波減速器的人機(jī)協(xié)作方案，達(dá)到提高產(chǎn)能和質(zhì)量的目的。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)線布局

產(chǎn)線布局如圖1所示。此方案中采用的機(jī)器人均為達(dá)明機(jī)器人TM5-900系列，其中，裝配操作臺(tái)按組裝機(jī)器人側(cè)分為人工操作區(qū)、備件區(qū)和裝配區(qū)，操作人員位于人工操作區(qū)，組裝機(jī)器人和下料機(jī)器人位于裝配區(qū)的兩側(cè)。

圖1 產(chǎn)線布局

1.2 工作流程

工作流程如圖2所示。上料機(jī)器人從倉(cāng)庫(kù)中取出裝配一個(gè)諧波減速器所需的所有工件，如果零件合格放置于AGV小車上，如果不合格放置于不良品區(qū)。上料機(jī)器人將合格零件運(yùn)輸至備料區(qū)，操作人員對(duì)來料進(jìn)行擦拭清潔，組裝機(jī)器人從備料區(qū)取件至裝配區(qū)進(jìn)行裝配，下料機(jī)器人對(duì)裝配好的成品進(jìn)行檢測(cè)，如果合格則將其搬運(yùn)至合格品區(qū)，如果不合格則將其搬運(yùn)至不合格品區(qū)。

圖2 工作流程

1.3 方案實(shí)施

該生產(chǎn)線分為上料、組裝、下料三個(gè)模塊，通過主控PLC實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的控制，傳感器和機(jī)器人視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取、放置和裝配，下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.3.1 人機(jī)交互功能

主控觸摸屏界面滿足以下基本功能。

主控PLC能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位、啟動(dòng)、停止等功能。系統(tǒng)復(fù)位為系統(tǒng)中上料機(jī)器人、組裝機(jī)器人、下料機(jī)器人處于初始?xì)w零狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)為系統(tǒng)自動(dòng)按照任務(wù)運(yùn)行，系統(tǒng)停止為系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)。

主控界面包含黃、綠、紅三種狀態(tài)信號(hào)燈。綠色狀態(tài)信號(hào)燈指示初始狀態(tài)正常，紅色狀態(tài)信號(hào)燈指示初始狀態(tài)不正常，黃色狀態(tài)信號(hào)燈指示任務(wù)完成。

初始狀態(tài)是指：上料機(jī)器人、組裝機(jī)器人、下料機(jī)器人、PLC處于聯(lián)機(jī)狀態(tài)，上料機(jī)器人、組裝機(jī)器人、下料機(jī)器人處于工作原點(diǎn)。

若上述條件中任一條件不滿足，則紅色警示燈以1 Hz的頻率閃爍，黃色和綠色燈均熄滅，這時(shí)系統(tǒng)不能啟動(dòng)。如果網(wǎng)絡(luò)正常且上述各工作站均處于初始狀態(tài)，則綠色警示燈常亮。主控PLC通過數(shù)據(jù)采集模塊能夠同步顯示倉(cāng)庫(kù)信息（有無元器件）、產(chǎn)量及合格率。

1.3.2 上料模塊

倉(cāng)庫(kù)中放置著裝配一個(gè)諧波減速器需要的鋼輪、柔輪和波發(fā)生器元件，如圖3所示。上料機(jī)器人通過內(nèi)建視覺與TM Landmark識(shí)別并取出裝配一個(gè)諧波減速器需要的工件1、2、3，如果這3個(gè)工件合格則放置于AGV小車上，如果不合格放置于不良品區(qū)。同時(shí)，機(jī)器人通過視覺功能對(duì)物料進(jìn)行識(shí)別和比對(duì)，顯示比對(duì)結(jié)果，保證上料的正確性，進(jìn)行物料防錯(cuò)。如果出現(xiàn)物料錯(cuò)誤，及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行處理。

圖3 需要識(shí)別抓取和裝配的工件

AGV自動(dòng)運(yùn)行至備料區(qū)，上料機(jī)器人將工件放置在人工操作區(qū)中。工件輸送完畢，AGV自動(dòng)返至倉(cāng)庫(kù)，繼續(xù)取元件，如此循環(huán)。

上料區(qū)監(jiān)控看板顯示物料的實(shí)時(shí)數(shù)量，當(dāng)物料數(shù)量過低時(shí)，通知AGV及時(shí)補(bǔ)充物料。

1.3.3 組裝模塊

工作人員對(duì)人工操作區(qū)中的工件進(jìn)行擦拭清潔，然后放置于備料區(qū)。

備料區(qū)裝有光電傳感器，當(dāng)有工件時(shí)傳輸信號(hào)給主控PLC，主控PLC經(jīng)過處理傳輸信號(hào)給組裝機(jī)器人；組裝機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)先抓取工件1鋼輪將其放置于裝配區(qū)，在鋼輪輪齒上均勻涂抹潤(rùn)滑油，涂抹完畢后放置于裝配區(qū)工件1的指定位置；組裝機(jī)器人通過視覺定位抓取工件2柔輪將其放置于裝配區(qū)，在柔輪的輪齒和相應(yīng)部位均勻涂抹潤(rùn)滑油，涂抹完畢后放置于裝配區(qū)工件2的指定位置；組裝機(jī)器人通過合適的工具將柔輪放入鋼輪中，用螺絲固定；組裝機(jī)器人通過視覺定位抓取工件3波發(fā)生器將其放置于裝配區(qū)，在波發(fā)生器和相應(yīng)部位均勻涂抹潤(rùn)滑油，涂抹完畢后放置于裝配區(qū)工件3的指定位置；組裝機(jī)器人用合適的工具將波發(fā)生器放入柔輪輪齒內(nèi)側(cè)，用螺絲固定，并把成品放置于指定位置，此位置的光電傳感器將信號(hào)傳遞給主控PLC，黃色指示燈以1 Hz頻率閃爍，然后進(jìn)行下一個(gè)諧波減速器的裝配。

組裝區(qū)看板監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，處理設(shè)備報(bào)警，通過機(jī)器視覺功能，監(jiān)控設(shè)備的加工進(jìn)度，計(jì)算設(shè)備的實(shí)時(shí)產(chǎn)量等。

1.3.4 下料模塊

主控PLC接收到有成品的信號(hào)后，經(jīng)過處理后發(fā)送指令給下料機(jī)器人，下料機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)對(duì)成品進(jìn)行檢查，要求成品諧波減速器靈活轉(zhuǎn)動(dòng)無阻滯，如果合格將其搬運(yùn)至合格品區(qū)，否則搬運(yùn)至不合格品區(qū)。

下料區(qū)看板監(jiān)控產(chǎn)線的實(shí)時(shí)產(chǎn)量，計(jì)算產(chǎn)品合格率、直通率（一次組裝成功的準(zhǔn)確性）等數(shù)據(jù)。

2 方案測(cè)試

上料機(jī)器人測(cè)試。測(cè)試AGV小車在倉(cāng)庫(kù)和人工操作區(qū)之間的運(yùn)行軌跡，在TMflow中進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)上料機(jī)器人對(duì)倉(cāng)庫(kù)中3種元件的準(zhǔn)確識(shí)別抓取以及放置于AGV小車上。

組裝機(jī)器人測(cè)試。編程實(shí)現(xiàn)并測(cè)試組裝機(jī)器人抓取、正確組裝零件的功能。

下料機(jī)器人測(cè)試。編程實(shí)現(xiàn)下料機(jī)器人檢測(cè)成品的功能。

綜合測(cè)試。編寫PLC主程序，實(shí)現(xiàn)上料機(jī)器人、組裝機(jī)器人、下料機(jī)器人的聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于協(xié)作機(jī)器人的諧波減速器裝配方案，節(jié)省了3名工人的勞作。在此項(xiàng)工作中，如果潤(rùn)滑脂濺入眼睛不僅會(huì)引起炎癥，還會(huì)使皮膚過敏，引入?yún)f(xié)作機(jī)器人后，可避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，使工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解脫出來，提高了產(chǎn)能以及成品合格率。并且協(xié)作機(jī)器人能夠更換夾具，該系統(tǒng)除了能夠適應(yīng)同一尺寸外，還能夠滿足更多型號(hào)產(chǎn)品的作業(yè)要求。協(xié)作型機(jī)器人編程簡(jiǎn)潔方便，可進(jìn)行變更，修改動(dòng)作方便，可以完成工序的變更以及工藝的改革。