KUKA機(jī)器人在氣缸柔性生產(chǎn)單元的應(yīng)用設(shè)計(jì)*

崔業(yè)軍

(無錫科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 無錫 214028)

0 引 言

制造業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)體經(jīng)濟(jì)是中國發(fā)展的本錢，是構(gòu)筑未來發(fā)展戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)的重要支撐。以汽車制造業(yè)為例，焊裝生產(chǎn)線、夾具、機(jī)器人、輸送設(shè)備、組裝線、涂裝線、發(fā)動(dòng)機(jī)與輪胎生產(chǎn)裝備上，氣動(dòng)技術(shù)無所不在，大顯身手[1]。氣缸作為一款智能制造的執(zhí)行元件，其操作的精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和其應(yīng)用的廣度。

快速響應(yīng)市場(chǎng)，對(duì)于氣缸生產(chǎn)環(huán)節(jié)來說，必須推陳出新。個(gè)性化、多工藝的氣缸生產(chǎn)線是當(dāng)前亟需解決的一個(gè)課題，智能化改造已是迫在眉睫。充分分析了氣缸各零部件的生產(chǎn)工藝，運(yùn)用現(xiàn)代柔性生產(chǎn)技術(shù)，提出一種適應(yīng)氣缸成套零部件生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)線，運(yùn)用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)出[2]，滿足客戶定制化的需求，給氣缸行業(yè)產(chǎn)能、技術(shù)等方面賦能，帶來氣動(dòng)行業(yè)的技術(shù)革新，推動(dòng)氣動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 氣缸生產(chǎn)單元的布置與工藝流程

1.1 氣缸生產(chǎn)單元的布置

以某企業(yè)生產(chǎn)的某一類型氣缸為例，氣缸組成中需要機(jī)加工的零部件的按工藝分主要有[3]：以車削為主的鋼筒、端蓋、活塞及活塞桿等；以銑削為主的連接件、支撐件以及輔助件等。在這些氣缸零部件加工中，有時(shí)兼顧多種機(jī)床工藝，諸如活塞桿的扁式銑削、端蓋的鉆削、中間支撐件的車削等。需要根據(jù)零件工藝流程，靈活掌握加工方法。因此，柔性生產(chǎn)技術(shù)作為智能制造技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，非常適合氣缸零部件的生產(chǎn)加工。

經(jīng)過對(duì)氣缸零部件工藝流程規(guī)劃設(shè)計(jì)，組建了如圖1所示的某系列氣缸柔性生產(chǎn)單元。從該柔性制造單元的組成來看，主要分為無人作業(yè)區(qū)和操作人員作業(yè)區(qū)[4]兩大部分組成。

圖1 某系列氣缸柔性生產(chǎn)線布局圖

(1) 無人作業(yè)區(qū)

MES控制系統(tǒng)[5](包括計(jì)算機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī))；1臺(tái)KUKA機(jī)器人；1臺(tái)KDVM600L加工中心、1臺(tái)VHC850A加工中心、1臺(tái)Brother鉆削加工中心；1臺(tái)Viva T2B/350數(shù)控車床、1臺(tái)CA6146型數(shù)控車床、1臺(tái)CLASSIC型三坐標(biāo)測(cè)量儀、1臺(tái)零部件清洗機(jī)以及鑄件毛坯立體倉庫及活塞旋轉(zhuǎn)倉庫等組成。

(2) 操作人員作業(yè)區(qū)

該區(qū)域包括工件裝卸站、活塞毛坯庫以及刀具預(yù)調(diào)站等，操作人員工作時(shí)間段可以在該區(qū)域工作。

1.2 柔性生產(chǎn)工藝流程

首先，系統(tǒng)上電啟動(dòng)(生產(chǎn)設(shè)備已按零件工藝要求準(zhǔn)備就緒)，接下來在MES系統(tǒng)中編制零部件工藝生產(chǎn)任務(wù)，啟動(dòng)MES系統(tǒng)。KUKA工業(yè)機(jī)器人接到MES系統(tǒng)搬運(yùn)任務(wù)，首先通過RFID進(jìn)行工件毛坯位置信息掃描，確認(rèn)毛坯所在倉儲(chǔ)位置。同時(shí)根據(jù)機(jī)床工藝信息，將零件根據(jù)上位機(jī)主控系統(tǒng)的指令(根據(jù)工件的工藝等信息)，選擇對(duì)應(yīng)的末端執(zhí)行器搬運(yùn)零件毛坯，并放置在對(duì)應(yīng)的設(shè)備單元內(nèi)進(jìn)行任務(wù)實(shí)施,等加工任務(wù)完成后,由搬運(yùn)機(jī)器人將工件搬運(yùn)回對(duì)應(yīng)倉儲(chǔ)。這樣一個(gè)過程為機(jī)器人完成零件某一工序的上、下料過程。MES系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)機(jī)器人進(jìn)行多任務(wù)的切換，滿足最高效率的生產(chǎn)需求。

2 機(jī)器人產(chǎn)線應(yīng)用技術(shù)分析

2.1 機(jī)器人性能分析

氣缸柔性生產(chǎn)線采用了KR120R2900extra型KUKA機(jī)器人。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)空間六自由度運(yùn)動(dòng)以及第7軸軌道行走功能，載重120 kg，重復(fù)定位精度為±0.06mm，空間工作范圍可達(dá)2900mm，可與PLC及MES實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。其控制系統(tǒng)采用的KRL編程語言，是一種類似C語言的文本型語言，由.SRC和.DAT 格式組成。其中.SRC儲(chǔ)存程序邏輯、指令、動(dòng)作之類；.DAT儲(chǔ)存位置變量以及軌跡點(diǎn)位的參數(shù)[6]。

2.2 機(jī)器人末端執(zhí)行器選擇

KUKA機(jī)器人在執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，針對(duì)不同工藝要求的零部件，采用的末端執(zhí)行器也不一樣。如圖2所示，氣缸典型零部件結(jié)構(gòu)特征。

其中，圖2(a)所示為活塞類零部件，其主要結(jié)構(gòu)特征為回轉(zhuǎn)體。當(dāng)用機(jī)器人進(jìn)行機(jī)床上、下料時(shí)，需要類似V型口的夾爪類末端執(zhí)行器[7]；圖2(b)所示為支撐類零部件，其毛坯主要采用鑄件形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易用固定支架形式裝夾毛坯，機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)，采用支架小夾爪形式末端執(zhí)行器；圖2(c)所示為異形類零部件，需要設(shè)計(jì)專用托盤夾具裝夾。在實(shí)際使用時(shí)，考慮到托盤的重量和零部件的重量，利用零點(diǎn)定位夾具[8]實(shí)現(xiàn)托盤與機(jī)器人法蘭端直接連接，達(dá)到此類零部件的機(jī)床上、下料的需要。

圖2 氣缸典型零部件結(jié)構(gòu)特征

2.3 配置機(jī)器人末端執(zhí)行器選擇I/O

依據(jù)柔性生產(chǎn)單元的零部件結(jié)構(gòu)特征，確定了KUKA機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要三種不同執(zhí)行器。即零點(diǎn)定位快換夾具、回轉(zhuǎn)體類大夾爪以及支撐類鑄件小夾爪。為了KUKA機(jī)器人靈活切換末端執(zhí)行器，需在KUKA機(jī)器人上配置相應(yīng)的I/O。

I/O的信號(hào)配置如表1，在KUKA機(jī)器人輸入信號(hào)端，主要判別機(jī)器人當(dāng)前末端執(zhí)行器類別；輸出端主要用來進(jìn)行執(zhí)行器的安裝與拆卸。

表1 I/O信號(hào)參數(shù)及其含義

3 機(jī)器人編程設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

依據(jù)氣缸柔性制造系統(tǒng)工藝流程，建立了機(jī)器人進(jìn)行零件工序任務(wù)調(diào)度的程序設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

3.2 變量確定

由圖3所示的機(jī)器人程序設(shè)計(jì)流程圖，設(shè)立了程序中使用的變量，如表2所列。

表2 變量參數(shù)及其含義

續(xù)表2 變量參數(shù)及其含義

圖3 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 產(chǎn)線工序任務(wù)調(diào)度程序設(shè)計(jì)

通過應(yīng)用KUKA機(jī)器人的KRL語言，設(shè)計(jì)了氣缸柔性生產(chǎn)線零件加工任務(wù)調(diào)度的機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)了氣缸柔性生產(chǎn)線智能化搬運(yùn)與裝卸的工藝要求[9]。其程序如下：

INI;初始行,程序正確運(yùn)行所需的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的調(diào)用;

PTP home Vel= 100 % PDAT4;機(jī)器人回原點(diǎn)

R20=R5;MES系統(tǒng)將R5參數(shù)賦值給R20，進(jìn)行任務(wù)是否開始判斷

R10=0;清空機(jī)器人末端執(zhí)行器

IF $IN[14] AND $IN[15]==TRUE THEN;

如果機(jī)器人感應(yīng)傳感器采集到末端執(zhí)行器小夾爪(電極夾具)和大夾爪(圓柱體毛坯)

GOTO LBL500;跳至程序結(jié)束，停止運(yùn)行(有故障)

ENDIF;

IF $IN[14]==TRUE THEN;MES系統(tǒng)發(fā)給機(jī)器人執(zhí)行電極夾具末端執(zhí)行器

R10=1;機(jī)器人已加載末端執(zhí)行器(小)

ENDIF;循環(huán)結(jié)束

IF $IN[15]==TRUE THEN;MES系統(tǒng)發(fā)給機(jī)器人電極夾具末端執(zhí)行器信號(hào)

R10=2;機(jī)器人已加載末端執(zhí)行器(大)

ENDIF;循環(huán)結(jié)束

r1=0;初始化定義任務(wù)

r2=0;初始化定義執(zhí)行對(duì)象(料)號(hào)

r3=0;初始化定義料架好

r4=0;初始化定義設(shè)備號(hào)

OUT 4‘qi kai guan’ State=FALSE;清洗機(jī)關(guān)門

OUT 6‘IR_ExBewegAktiv_A006’ State=FALSE;清洗機(jī)開關(guān)

OUT 18││State=FALSE;機(jī)器人末端執(zhí)行器氣閥打開

OUT 19││State=FALSE;設(shè)備夾具座松開

OUT 20 ││State=FALSE;關(guān)閉自動(dòng)狀態(tài)

OUT 25 ││State=FALSE;車床尾座退回

OUT 26││State=FALSE;

LOOP;

R15=0;機(jī)器人處于任務(wù)待機(jī)中

Wait For (R20<>R5);R5參數(shù)與初始賦值比較，等待中

R20=R5;重新將MES刷新后將R5參數(shù)賦值給R20

(1)模擬招聘比賽。該比賽主要依托我校的跨專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)區(qū)由對(duì)抗區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、外貿(mào)區(qū)、采購區(qū)、自主學(xué)習(xí)區(qū)、路演區(qū)等部分組成，能夠很好的滿足模擬招聘比賽的需要。比賽經(jīng)歷簡(jiǎn)歷初選、模擬面試、企業(yè)嘉賓面試共三個(gè)環(huán)節(jié)。具體的，參賽人員準(zhǔn)備個(gè)人簡(jiǎn)歷上交，根據(jù)簡(jiǎn)歷篩選出50名參賽人員；參賽人員抽簽隨機(jī)分為5組；分組完成后，每一組內(nèi)進(jìn)行抽簽，決定面試官與應(yīng)聘者角色(兩個(gè)面試官，八個(gè)面試人員)；進(jìn)行模擬招聘時(shí)，評(píng)委進(jìn)行觀摩并分別為面試雙方打分；最后，由企業(yè)嘉賓擔(dān)任面試官，進(jìn)行面試活動(dòng)，學(xué)生觀摩。

R11=R1;采集MES信息，賦值機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)

R12=R2;采集MES信息，賦值機(jī)器人當(dāng)前執(zhí)行對(duì)象

(料)號(hào)

R13=R3;采集MES信息，賦值機(jī)器人料架位置

R14=R4;采集MES信息，賦值機(jī)器人去往設(shè)備

R30=0;準(zhǔn)備開始任務(wù)安全位置清零

R31=0;完成指令清零

R111=0;

SWITCH R11;根據(jù)R11賦值，跳到與CASE指令中的值相同的程序分支執(zhí)行

CASE 1;1-掃描任務(wù)

SM( );呼叫掃描程序

GOTO LBL100;

CASE 33-倉庫取料

CANGKU_TAKE( );呼叫倉庫取件程序

GOTO LBL100

CASE 5設(shè)備放料

SWAPC( );子程序：設(shè)備放料加工

GOTO LBL100

CASE 6倉庫回料

CANGKU_PUT( );子程序：加工完成返回倉庫

GOTO LBL100

CASE 7車床掉頭加工換料

TURN_SWAPC( );子程序：掉頭換料

GOTO LBL100

CASE 99無任務(wù)

home( );子程序：機(jī)器人回原點(diǎn)

GOTO LBL500跳至程序結(jié)束

END SWITCH分支編程循環(huán)結(jié)束

LBL100:

R30=1;機(jī)器人任務(wù)動(dòng)作完成

R31=1;可接受指令

END LOOP主程序循環(huán)結(jié)束

LBL500:程序結(jié)束

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

在某企業(yè)氣缸柔性生產(chǎn)單元上，運(yùn)行KR120R2900extra型KUKA機(jī)器人工序任務(wù)調(diào)度程序，且對(duì)企業(yè)近半年的氣缸“訂單式”生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研跟蹤，得出了以下的生產(chǎn)初步結(jié)論。

(1) 相比傳統(tǒng)的單品種批量化生產(chǎn)，現(xiàn)有的智能化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)加工高柔性、高自動(dòng)化?？煽焖俑鼡Q產(chǎn)品品種，減少因市場(chǎng)銷售產(chǎn)生的積壓庫存，實(shí)現(xiàn)訂單式的快速生產(chǎn)，迎合市場(chǎng)個(gè)性化客戶的需求。

(2) 從半年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，采用了該KR120R2900extra型KUKA機(jī)器人工序任務(wù)調(diào)度，助力氣缸柔性生產(chǎn)。一方面，生產(chǎn)成本有效降低了近37%，這主要體現(xiàn)在人工成本、輔助生產(chǎn)效率等方面；另一方面，靈活快速應(yīng)對(duì)多品種、變批量混流加工，滿足企業(yè)應(yīng)對(duì)個(gè)性批量化要求， 大大提高了企業(yè)快速應(yīng)對(duì)客戶的效率，穩(wěn)定了產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)。

(3) 在柔性生產(chǎn)線的試運(yùn)行初期，對(duì)技術(shù)人員的崗位能力要求較高。技術(shù)人員不僅要在應(yīng)用機(jī)器人編程與操作方面的技術(shù)能力好，還要求相關(guān)技術(shù)人員掌握相關(guān)工藝設(shè)備的工藝流程。

5 結(jié) 語

通過使用KR120R2900extra型KUKA機(jī)器人，運(yùn)用KRL編程語言進(jìn)行產(chǎn)線任務(wù)的程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用，有效實(shí)施了氣缸柔性生產(chǎn)線毛坯工位掃描、倉庫取料、設(shè)備放料、車床掉頭換料、倉庫回料等工作任務(wù)。實(shí)踐驗(yàn)證表明：該程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行效果良好，加工效率提升，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。隨著氣缸產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步推進(jìn)，運(yùn)用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)新技術(shù)、新工藝、新模式的產(chǎn)業(yè)制造觀念轉(zhuǎn)變，促進(jìn)氣缸行業(yè)的智能生產(chǎn)。未來將在更多加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)少人化、柔性化、智能化加工[10]，將更快、更好地促進(jìn)整個(gè)加工制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為保證國家產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)安全發(fā)展、實(shí)施制造強(qiáng)國、智能制造新模式推進(jìn)做出更大的貢獻(xiàn)。