國(guó)內(nèi)機(jī)床自動(dòng)下料分揀現(xiàn)狀綜述

王 靜

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

1 研究背景

《中國(guó)制造2025》、德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的提出，激發(fā)了制造業(yè)的活力，使得設(shè)備制造行業(yè)由人工生產(chǎn)、半自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化生產(chǎn)。整個(gè)制造行業(yè)智能化的普及、人工成本的提高等因素推動(dòng)著機(jī)床下料分揀的自動(dòng)化進(jìn)程。

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體。打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是提升我國(guó)綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)的必由之路[1]。近年來(lái)，虛擬經(jīng)濟(jì)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了高速發(fā)展，但是實(shí)體經(jīng)濟(jì)相對(duì)處于低谷時(shí)期[2]。為解決這種情況，國(guó)務(wù)院于2015年提出《中國(guó)制造2025》，致力于推動(dòng)制造業(yè)的創(chuàng)新和智能化發(fā)展[3-5]。然而，發(fā)展制造業(yè)離不開(kāi)各種生產(chǎn)線的更新?lián)Q代和智能化升級(jí)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)線可以分為工件加工生產(chǎn)線和產(chǎn)品裝配線。本文主要研究工件加工生產(chǎn)線中的機(jī)床下料分揀生產(chǎn)線，并分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)床下料分揀生產(chǎn)線的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向，從而為該類生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)提供參考。

2 機(jī)床自動(dòng)下料分揀

如圖1所示，根據(jù)下料方式，機(jī)床自動(dòng)下料分揀可以分為機(jī)床直接下料分揀和輸送帶下料分揀，其中輸送帶下料分揀又可以分為動(dòng)態(tài)分揀和靜態(tài)分揀。根據(jù)分揀方式，機(jī)床自動(dòng)下料分揀又可以分為各種零件單獨(dú)分揀和多種零件混合分揀。

2.1 機(jī)床直接下料分揀

機(jī)床直接下料分揀是指將機(jī)器人與機(jī)床進(jìn)行整合協(xié)同工作，完成下料功能，如圖2所示。

國(guó)內(nèi)技術(shù)已趨于完善，可以通過(guò)仿真軟件完成機(jī)器人在機(jī)床上下料過(guò)程中應(yīng)用的全過(guò)程仿真[6]。利用仿真軟件ROBOGUIDE離線編程仿真整個(gè)機(jī)床的上下料過(guò)程，離線模擬FANUC機(jī)器人在機(jī)床下料分揀中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及節(jié)拍。另外，利用在線仿真設(shè)計(jì)機(jī)床直接下料的路徑，確定方案的可行性，不僅可以縮短調(diào)試時(shí)間，而且可以提高成功率。北京科技大學(xué)研究了機(jī)械臂在上下料等應(yīng)用場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)控制，改進(jìn)了S形速度曲線控制算法，縮短了機(jī)械手在上下料過(guò)程中的工作時(shí)間，提高了整個(gè)加工系統(tǒng)的效率[7]。該技術(shù)應(yīng)用于圖2的桁架機(jī)械手，使得機(jī)械手在上下料過(guò)程中的速度控制更加精確，減少了因加減速不當(dāng)而引發(fā)的設(shè)備振動(dòng)和沖擊等情況，提高了設(shè)備的運(yùn)動(dòng)精度，提高了設(shè)備的整體精度。

該技術(shù)除了應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，還可應(yīng)用于其他加工領(lǐng)域，尤其在焊接和沖壓領(lǐng)域，機(jī)器人上下料更為常見(jiàn)。利用富士康科技集團(tuán)的成品六軸Foxbot機(jī)器人，結(jié)合500萬(wàn)像素的智能相機(jī)，可以對(duì)機(jī)構(gòu)件實(shí)施批量焊接，并精確識(shí)別零件位置，完成焊接后機(jī)構(gòu)件的自動(dòng)下料及碼放[8]。智能相機(jī)拍照識(shí)別焊接件位置和姿態(tài)，將數(shù)據(jù)傳輸至可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），之后將數(shù)據(jù)傳輸至六軸機(jī)器人，告訴機(jī)器人待分揀焊接件的位置和姿態(tài)，指揮六軸機(jī)器人準(zhǔn)確抓取焊接件，并按照設(shè)定的最佳路徑實(shí)施自動(dòng)下料。沖壓領(lǐng)域的自動(dòng)下料與焊接相似，均是利用自動(dòng)下料技術(shù)來(lái)降低工人勞動(dòng)量，提高下料效率[9-10]。

2.2 輸送帶下料靜態(tài)分揀單一零件

輸送帶下料靜態(tài)分揀單一零件是指利用輸送帶及其他機(jī)構(gòu)將物料按序運(yùn)動(dòng)至同一位置后固定，再由機(jī)器人定點(diǎn)靜態(tài)抓取零件實(shí)現(xiàn)下料功能，如圖3所示。

廣州文船重工有限公司已投入使用智能下料生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線包括智能上料、自動(dòng)切割、零件自動(dòng)分揀疊放和自動(dòng)清廢4個(gè)功能[11]。它使用輸送帶自動(dòng)靜態(tài)分揀技術(shù)，利用零件分揀電磁吊抓取設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上固定鋼板零件的下料分揀及疊放。該零件分揀電磁吊抓取設(shè)備為簡(jiǎn)易龍門(mén)式，主體部分由子母車(chē)、起升運(yùn)動(dòng)控制絞車(chē)等構(gòu)成。其中，吊抓設(shè)備的端部工具為電控永磁鐵吸盤(pán)。該技術(shù)可以提高生產(chǎn)線的智能化水平，減少操作工人的需求量，降低操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的智能轉(zhuǎn)型升級(jí)。

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院和中車(chē)株洲所電氣技術(shù)與材料工程研究院研究了一條芯片智能分揀生產(chǎn)線[12]。該產(chǎn)線以ABB IRB360并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人為控制核心，實(shí)現(xiàn)芯片下料、芯片輸送鏈傳輸、相機(jī)檢測(cè)以及分揀機(jī)器人智能分揀等過(guò)程。齊齊哈爾四達(dá)鐵路設(shè)備有限公司已實(shí)現(xiàn)軸承退卸輸送線和智能分揀[13]。通過(guò)以上裝置將軸承退卸機(jī)退卸下來(lái)的軸承自動(dòng)傳輸?shù)捷S承堆垛地點(diǎn)，根據(jù)軸承型號(hào)實(shí)現(xiàn)軸承的自動(dòng)分揀與碼垛。中國(guó)煤炭科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司利用視覺(jué)識(shí)別分揀機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件切割，完成后經(jīng)過(guò)輸送線自動(dòng)分揀推入相應(yīng)的料框并打碼，最終運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)或者直接送至下道工序[14]。

2.3 輸送帶下料動(dòng)態(tài)分揀單一零件方面

輸送帶下料動(dòng)態(tài)分揀單一零件是指利用輸送帶運(yùn)送物料至分揀機(jī)器人，再由機(jī)器人結(jié)合視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人直接在運(yùn)動(dòng)中的輸送帶上快速識(shí)別并準(zhǔn)確抓取零件，進(jìn)而分揀下料[15]。富士康科技集團(tuán)通過(guò)蜘蛛手和視覺(jué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)輸送線上動(dòng)態(tài)抓取分揀物料，分揀后由蜘蛛手端部吸盤(pán)將物料投入相應(yīng)的物料箱中，如圖4所示。

該項(xiàng)分揀技術(shù)難度較高，不僅對(duì)機(jī)器人的反應(yīng)速度和重復(fù)精度具有高要求，而且要求相機(jī)曝光頻率高、數(shù)據(jù)處理速度快，因此國(guó)內(nèi)較少應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。山東大學(xué)自主搭建了抓取系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，通過(guò)對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)預(yù)設(shè)的姿態(tài)和位置自適應(yīng)抓取零件，并放到指定位置[16]。該平臺(tái)主要集成了傳送帶動(dòng)態(tài)速度檢測(cè)、相機(jī)圖像預(yù)處理、相機(jī)圖像邊緣檢測(cè)以及相機(jī)圖像輪廓提取等算法，并選擇合適的硬件搭建而成，可應(yīng)用于流水線分揀、動(dòng)物體抓取等場(chǎng)景，促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。庫(kù)卡Delta機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了根據(jù)輸送帶上物料密度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)器人抓取分揀速度，提高了分揀效率，有效降低了漏檢率[17-18]。該項(xiàng)技術(shù)主要運(yùn)用了牛頓-拉夫遜迭代算法計(jì)算物體在工作區(qū)域內(nèi)被抓取的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)，在電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)進(jìn)行拍照后，利用視覺(jué)軟件進(jìn)行圖像處理，將數(shù)據(jù)傳輸至控制器，再利用牛頓-拉夫遜迭代算法二次計(jì)算并預(yù)測(cè)零件的實(shí)際位置，最后利用預(yù)測(cè)的零件位置數(shù)據(jù)引導(dǎo)機(jī)器人抓取零件。

2.4 多種零件混合分揀

多種零件混合分揀是指同時(shí)分揀多種類型的零件，各種零件外形可能相似也可能相差較大，且這些零件混合在一起，就像是將混合在一起的黃豆和綠豆分別分揀出來(lái)。本技術(shù)主要通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人完成，對(duì)機(jī)器人的要求與以上幾種分揀情況相似，但是增加了對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的要求。視覺(jué)系統(tǒng)不僅需要識(shí)別某種零件的外形、姿態(tài)、位置，而且需要同時(shí)識(shí)別其他零件的外形、姿態(tài)和位置，不僅對(duì)定焦相機(jī)的景深功能是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，而且對(duì)變焦相機(jī)的精度具有很高要求。因此，該技術(shù)目前應(yīng)用較少，尚需要進(jìn)一步研究發(fā)展。

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在安川六軸機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種混合零件的拿取分揀碼盤(pán)操作。上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司和廣東省機(jī)械研究所有限公司利用三維視覺(jué)廣域傳感器（一個(gè)投影儀和兩個(gè)數(shù)字相機(jī)），結(jié)合可編程控制器、工業(yè)機(jī)器人編程等各模塊系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)，完成了對(duì)料籠不同相位曲軸分揀的案例[19]。

3 結(jié)語(yǔ)

單一零件的機(jī)床下料分揀技術(shù)已趨于完善且應(yīng)用廣泛，但是對(duì)于多種零件混揀，機(jī)床下料分揀相對(duì)薄弱，急需提高自動(dòng)化水平和相關(guān)技術(shù)。另外，機(jī)床自動(dòng)下料分揀中所涉及的機(jī)器人多為國(guó)外產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)機(jī)器人在該領(lǐng)域的應(yīng)用有待完善。