基于工業(yè)機器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計

陳運軍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，）

基于工業(yè)機器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計

陳運軍

（四川信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，）

隨著德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”及我國 “中國制造2025”的提出，智能制造、自動化裝備等細分產(chǎn)業(yè)得到重點關(guān)注，并不斷向FMS柔性制造系統(tǒng)或FMC柔性制造單元發(fā)展。本文設(shè)計的“智能制造”柔性生產(chǎn)線，以安裝在行走導軌上的機器人為基礎(chǔ)，同時負責兩臺數(shù)控車床、兩臺數(shù)控加工中心的上下料工作。生產(chǎn)線中還配置了由回轉(zhuǎn)上料機構(gòu)與取料機構(gòu)組成的自動上料系統(tǒng)和自動換夾具系統(tǒng)，并在取料臺上方安裝了視覺系統(tǒng)。當更換加工產(chǎn)品時，機器人只需要作出有限調(diào)整，就可以很快進行不同產(chǎn)品的加工，具有較高的柔性特征。

智能制造；柔性；工業(yè)機器人；設(shè)計

0 引言

工業(yè)機器人是指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)的機械手或多自由度的機器裝置，也是一種極為智能的機械加工輔助手段，是FMS（柔性制造系統(tǒng)）和FMC（柔性制造單元）的重要組成部分。在智能制造柔性生產(chǎn)線中，工業(yè)機器人可實現(xiàn)制造工藝過程中所有的零件抓取、上料、 下料、裝夾、零件移位和翻轉(zhuǎn)、零件調(diào)頭等，特別適用于大批量、小零部件的加工，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率。

本文設(shè)計的 “智能制造”生產(chǎn)線，即是以工業(yè)機器人為主體，完全代替人工，不僅自動化程度高，還可適應大多數(shù)零件的加工，柔性功能強大。為設(shè)計出合理較好闡述“智能制造”生產(chǎn)線，本文以汽車端蓋（如圖1所示）為載體，針對汽車端蓋的加工過程說明生產(chǎn)線布局、工作原理、邏輯控制等。

1 柔性生產(chǎn)線工作原理

1.1 載體零件加工工藝確定

根據(jù)零件要求，制定出加工工序如下：

1）采用數(shù)控車床，用內(nèi)三爪夾持毛坯左端內(nèi)孔，車削右端外形如圖2所示。

圖1 加工零件圖

2）掉頭，用內(nèi)三爪加持毛坯右端內(nèi)孔φ58，車削左端外型如圖3所示。

3）采用平口虎鉗裝夾φ64.97外圓，在數(shù)控加工中心上加工各孔至尺寸。

圖2 右端加工圖

圖3 左端加工圖

1.2 柔性生產(chǎn)線工作流程設(shè)計

由于機床卡爪的夾持范圍有限，不能在同一臺數(shù)控車床上完成車削的所有內(nèi)容，只能在一臺車床上完成1個工序的加工內(nèi)容。為此，本零件加工需要使用兩臺數(shù)控車床完成步驟1和步驟2的動作，使用一臺數(shù)控加工中心完成步驟3的動作。設(shè)計出柔性生產(chǎn)線的工作流程如圖4所示。

圖4 柔性生產(chǎn)線工作流程圖

2 柔性生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 柔性生產(chǎn)線總體布局

以1節(jié)所述的工作流程為基礎(chǔ)，考慮到節(jié)約勞動力和滿足多品種產(chǎn)品的加工需求，經(jīng)過改善和優(yōu)化，設(shè)計、繪制出柔性生產(chǎn)線的總體布局如圖5所示。

該“智能制造”柔性生產(chǎn)線主要由兩臺數(shù)控車床、兩臺數(shù)控加工中心、工業(yè)機器人及行走導軌（第七軸）、自動上料機構(gòu)、下料輸送線、中轉(zhuǎn)臺、機器人控制系統(tǒng)、外部設(shè)備控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)等構(gòu)成。工業(yè)機器人安裝在行走導軌上，擺放在四臺數(shù)控機床之間，負責取料工作、四臺機床的上下料工作及放料工作。

圖5 柔性生產(chǎn)線的總體布局

2.2 柔性生產(chǎn)線重要部件

2.2.1 自動上料機構(gòu)

自動上料機構(gòu)負責毛坯件的自動上料，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自動上料機構(gòu)

自動上料機構(gòu)由取料機構(gòu)和回轉(zhuǎn)上料機構(gòu)兩部分組成。回轉(zhuǎn)上料機構(gòu)的回轉(zhuǎn)工作臺依靠伺服電機和減速齒輪進行旋轉(zhuǎn)運動，其上方設(shè)置有8個工位，每個工位安裝一導柱，可一次性穿18個零件。取料機構(gòu)也是依靠伺服電機和滾珠絲桿進行上下移動的，并在絲桿的螺母副上方安裝取料臺如圖7所示。取料臺的手指由氣缸控制，可進行前后伸縮運動。另外，取料臺上方架設(shè)有視覺系統(tǒng)，負責檢測取料的準確位置。

圖7 取料機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)

工作時，當回轉(zhuǎn)上料機構(gòu)的回轉(zhuǎn)工作臺將導柱旋轉(zhuǎn)到如圖6所示的取料工作位置后，取料機構(gòu)的取料臺向下移動到達取料高度，手指氣缸伸出穿越零件，取料臺再向上移動將零件從導柱上取出，完成上料工作。此時，視覺系統(tǒng)將該零件的擺放位置與精確取料位置進行比對，并將兩位置之間的偏移量存入數(shù)據(jù)庫。外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)庫中的偏移值傳遞給機器人，機器人即可準確的取料，按順序送往數(shù)控機床進行加工。

2.2.2 下料輸送線

下料輸送線結(jié)構(gòu)如圖8所示，用于將加工好的零件向下一工位傳輸。輸送線采用鏈板輸送方式，用三相異步交流電機及減速裝置驅(qū)動。輸送線兩端各配置1個光電傳感器，分別用于檢測放料位和取料位是否有工件到位。另外，在取料位上方架設(shè)視覺系統(tǒng)，負責檢測取料的準確位置。

工作時，當放料位傳感器有信號后，三相異步電機開始工作，輸送鏈板將工件傳遞到取料位。取料位傳感器檢測到工件，三相異步電機停止工作，并通知其它設(shè)備取料。

圖8 下料輸送線

2.2.3 中轉(zhuǎn)臺

中轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由一臺階型的V型塊組成，用于工件的掉頭裝夾。即當工件在第一臺機床加工完成，機器人將工件取出后，換夾工件的另一端。這時，我們將工件如圖10所示的放在中轉(zhuǎn)臺上，再移動機器人，去抓取工件的另一頭，如圖11所示。

圖9 中轉(zhuǎn)臺

圖10 中轉(zhuǎn)臺放料

圖11 中轉(zhuǎn)臺掉頭取料

3 柔性生產(chǎn)線機器人手爪設(shè)計

3.1 手爪結(jié)構(gòu)

為提高生產(chǎn)節(jié)拍，工業(yè)機器人手爪采用雙工位設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。機器人進入機床前先將未加工零件夾持在工位1上。進入機床后，使用工位2取下機床卡盤上的工件，旋轉(zhuǎn)180角，將工位1上的工件安裝到機床卡盤上。

圖12 工業(yè)機器人手爪結(jié)構(gòu)

手爪的支架4為一焊接件，左、右兩面均通過連接套筒5安裝了一個三爪氣缸6，并在氣缸的三個工作位置上安裝了三個手指7，用于零件的夾持。

另外，由于不同零件的夾持需要不同的夾具，為滿足今后加工不同零件的裝夾需求，手爪不是直接安裝在機器人上的，而是通過快換接頭進行的連接。快換接頭的公頭2通過法蘭1固定在機器人第六軸法蘭上，將快換接頭的母頭3固定在機器人手爪上。當機器人需要連接手爪時，只需將快換接頭的公頭與母頭吸合即可。快換接頭公頭如圖3-6所示，母頭如圖3-7所示。

3.2 手爪氣路設(shè)計

手爪使用三爪氣缸進行夾持動作，需要進行相應的氣路連接。其氣路圖如圖13所示。壓縮空氣經(jīng)過氣動三聯(lián)件進行過濾、脫水等處理后，利用四通連接管分為三條氣路。其中兩條氣路分別用于兩個三爪氣缸閉合和張開的控制，第三條氣路用于快換接頭連接與斷開的控制。

圖13 手爪氣路圖

手爪上的兩個三爪氣缸及快換接頭的氣路連接方法完全相同。通過三位五通的電磁閥進行氣路的控制后，連接到手爪氣缸的進氣和出氣口上。電磁閥的中位起到了斷電保持的作用。

4 結(jié)束語

工業(yè)機器人是當今國內(nèi)外工業(yè)自動化技術(shù)與應用的新生力軍。隨著加工效率的不斷提升,越來越多的生產(chǎn)制造廠都將自動上下料的方式引入到實際生產(chǎn)中。本文設(shè)計的智能制造柔性生產(chǎn)線，適用性廣，大大節(jié)約人力成本，增加了加工精度，提高了生產(chǎn)節(jié)拍，并保證不會與其它設(shè)備形成干擾，無任何安全隱患，可得到大力的應用及推廣。

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Based on the industrial robot made “smart” fl exible production line design

CHEN Yun-jun

TP391.9

：A

：1009-0134(2017)08-0060-04

2017-04-25

陳運軍（19 -），男，