機器人在上下料生產線中的應用分析

歐棟生

摘? 要：隨著機器人在自動化生產線中的廣泛應用，機器人與可編程控制器之間的信號設置與傳輸，對生產線正常運行起到至關重要的作用。在機床制造領域，自動上下料機器人發揮著不可替代的重要作用，自動上下料機器人主要實現機床制造過程的完全自動化，系統采用了集成加工技術，適用于生產線的上下料、工件翻轉和工件轉工等工序。

關鍵詞：機器人;上下料;生產線

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 工業機器人

1.1 工業機器人的類別

按照工業機器人標準的不同，其可以分成很多的類型，通常可以根據下面3個方式來進行分類。1） 根據工業機器人臂部運動方式的不一樣劃分為圓柱坐標型、關節運動型、直角坐標型、并聯機器人以及球坐標類型機器人5種。2）根據工業機器人控制運動機構的機能可以劃分成連續軌跡型以及點位型。和點位型的數控機床類似，點位型工業機器人通常用于氣割焊接、正常裝卸運輸以及機床上下料等工作。相對于點位型工業機器人來說，連續軌跡型能夠根據指定的程序來進行軌跡作業，例如連續的涂裝以及焊接等工作。3）根據工業機器人不同的錄入程序形式，又可以分成示教輸入型以及程序輸入型。編程輸入型主要用以太網或RS-232串口把已經編好的工作程序輸入進機器人的控制系統中。

1.2 工業機器人的組成結構

工業機器人無論是什么用途，通常組成部分分為控制系統、主體以及驅動系統。1）執行系統作為主體主要由執行機構以及基座組成。執行機構包括了手腕、手臂等，還有一些機器人用于特殊的場景時還會增加行走的功能。一般來說，在執行器的末端位置是小臂，在基座附近是大臂。很多的工業機器人總體運動自由度在3～6個，而在腕部的運動幅度為1～3個。2）工業機器人的驅動體系由傳動機構以及動力系統構成，為了將動力輸送給執行機構，就需要驅動系統來控制執行多種動作。這個外部設備通常是為了機器人的相關生產特別制造的。3）機器人的控制系統部分一般有控制和檢測2個作用，系統會根據設定的程序完成驅動和執行機構的相關動作指令，同時還要檢測機構運行中的各項參數是否符合各項驅動的參數要求，并對系統做出合理反饋。

2 工業機器人上下料結構及工作流程分析

工業機器人的上下料操作結構主要由上下料機器人本身、數控機床、PLC控制結構、各類軟件及線路構成。

2.1 上下料工業機器人組成分析

工業機器人是機器人上下料機構的主要組成部分，主要包括了機器人本體、控制機構以及末端的執行機構。在型號選擇上，上下料機器人一般要根據生產線的實際情況進行選擇，例如現場機床的布局規劃以及所要加工的產品大小和類型規格。舉例說明，當加工對象零件毛坯為圓柱體結構，質量小于1 kg且相鄰機床之間的距離小于1.3 m時，進行機床上下料操作時所選擇的機器人型號一般為安川MH6機器人。該類型機器人主要采取末端執行機構的方式，氣動控制系統進行驅動，同時安裝控制系統的電磁閥，裝夾機構采取機械式二指單關節手爪。

數控機床在上下料機器人中屬于末端的操作機構，零件的加工，加工前后的上下料以及裝夾由機器人自動完成。

機器人的控制系統就是PLC控制單元，里面安裝有斷路器、PLC電路板、電源結構、繼電器裝置、變壓結構等電器元件。PLC的型號通常選擇的是歐姆龍公司生產的控制電路單元，主要用來控制上下料機器人的開始與停止、自動運行及輸送前進等，上下料的輸送機構會將放置著工件毛坯的托盤運送到上料的位置，機器人傳送機構再將毛坯運送到數控機床外，放置在機床底盤上，待加工完成后再將零件運到零件的托盤上，機器人隨后將零件運送到下料位置，進行組裝和包裝。

2.2 上下料工作流程

工業機器人上下料的流程主要是從工件毛坯的運送到加工完成的一系列過程。首先，將工件毛坯放入托盤當中，啟動機器人上下料機構，它就會將工件毛坯運送到零件上料的位置，隨后零件開始在機床上進行加工，完成后機器人會自動操作零件到輸送的產線上，實現下料操作，同時將其運到裝配的生產線上。其后托盤空置，再次回到上料的位置裝上工件毛坯。在上下料機器人運作過程中，托盤上有光電檢測傳感器，傳感器在感應到托盤后，電機就會直接啟動，此時輸送線就開始準備工作，進行零件上料運送工作，當到達上料位置時，會有阻電磁鐵，托盤的傳感器此時會感應到托盤位置，此時電機停止，托盤不再輸送。機器人此時進行搬運并等待加工完成，感應到機床門打開后，機器人會將零件運出，完成下料操作。機器人再次回到原來托盤位置后，電磁鐵會自動通電，此時擋鐵回到原來位置，電機重新啟動工作，下一條上料輸送機構開始運行，重復前道運動，直到全部零件加工完成。

3 自動上下料機器人在曲軸生產線中的運用

該案例的曲軸生產線總線長度為120 m，寬度為18 m，維護人員為6名，在線設備為25臺，是一家專業生產汽車曲軸的廠家，曲軸生產線多數由數控車床和專用機床組成，自動線上設備有車床、磨床、滾壓機、平衡機、拋光機、清洗機和曲軸系列專機等先進設備對主軸頸、連桿軸頸進行數控車削、磨削等加工，加上曲軸較重且體積較大，因此需要大量操作人員在現場進行操作。這既是一個自動化改造項目，也是企業實現柔性化單元的標桿性項目，目的是采用自動化的方式節省人工操作，實現大批量自動化加工，以保證產品質量，在節省勞務成本的同時提高生產效率。

因為工件的加工工序較多，數控設備品種不同，工件單一，車間場地有限。因此自動化改造項目的框架設計如下。1）機器人的選型：采用15套重型雙頭聯體桁架式機器人機械手，并與機床進行聯動安裝。2）送料系統的配置：配備2套帶工裝輸送料道以及在線檢測工位、翻轉工位、角向定位，在線監控等。在自動上下料操作中，要先將需要運輸的零件毛坯放置在托盤內，桁架機械手自動抓取零件到相應位置，但是這樣就需要人工輔助。所以該方案中首先要在振動盤內對零件毛坯進行排序，并對其狀態進行設定，再設計專門的材料運輸通道用機械手送料。如此一來就可以在上料前將雜亂無章的毛坯進行分類，其后使用上料裝置將其運送到加工的位置，這樣不僅節約了工件的上料和裝卸時間，也提高了流程的效率。3）抓手設計制造：根據曲軸零件的形狀、重量，獨立設計出符合零件外形的氣動外夾式的三手指抓手。在該例子中，采用的是重型桁架式機器人機械手，這種機械手最大可以承受3 t的抓取力，手爪的主體結構為鋼制結構的橫梁，導軌則采用矩形的立體結構，采用齒輪傳動的傳動方式，并針對性地使用模塊化的設計和獨立控制方式，配備了緊急情況下使用的安全急停裝置，適合于大型設備和重載的場合使用，采用機器人替代人工上下料，實現了大批量自動化加工，提高了企業經濟效益和盈利水平，提升了參與國際競爭的能力。

3 結語

總而言之，機器人在自動上下料的運用，可以通過模塊化的設計方式，并對各種功能進行組合，使多臺機床聯動，同時實現快速上下料和換料，切實實現加工制造的一體化及自動化，節省了大量人力操作成本，同時可以通過修改加工程序的方式來實現多種上下料裝夾的方式，更有利于快速生產，不斷推動生產企業的自動化水平的提高。

參考文獻

[1]關薇.機器人在上下料生產線中的應用[J].設備管理與維修，2019（3）：104-107.

[2]余穩勝， 羅擴龍， 陳月軍.擠壓機機器人上下料系統設計[J]. 電腦知識與技術， 2017， 13（12）：187-189.

[3]徐永謙，周謙，羅俏.多數控機床機器人上下料系統[J].機床與液壓， 2015， 43（15）：47-50.