淺析低負載機器人在自動化生產線的應用

陳青，徐浩，倪寶，許禮進，曾輝

（埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

關鍵字：低負載機器人；制造業；自動化改造；多設備對接

前言

隨著經濟的發展，人工成本提高，在人口福利不再的情況下，許多企業迫切需要實現產業升級，使用工業機器人是產業升級的重要手段[1]。市面上的機器人形式多樣，種類繁多，適用場景廣泛，可以用在搬運、打磨、焊接、噴涂、裝配、切割、雕刻等工作中，必須清楚了解自身的需求及機器人的性能闡述、應用場景之后，才能確定機器人的負載[2]。

1 低負載工業機器人簡介

1.1 低負載工業機器人定義

低負載工業機器人通常指負載相對較低（一般指機器人負載小于等于60kg），干擾輪廓少，結構緊湊的一類工業機器人，低負載工業機器人應用廣泛和靈活，并且成本相對低廉，許多汽車配件供應商和加工工業廠商都從中受益。

1.2 低負載工業機器人的特性

安裝靈活：許多低負載工業機器人可以靈活地安裝在地面、墻壁和天花板上，或者甚至是以特定的角度實現安裝；通過集成在所有軸上的制動器，低負載工業機器人在各種安裝方式下都有著非常卓越的表現。

高速：在搬運，特別是上下料作業方面，低負載工業機器人所具備的一個最大優勢是：速度極快，反應迅速，可以在較短的循環時間內完成作業。

高精確度：對于需要高重復精度和精確度的作業，低負載工業機器人完全可以勝任，它可以提供極高的加工質量，其結構堅固，低負載工業機器人可在整個工作空間內持續精準地進行作業。

易維護：低負載工業機器人的電機和減速機不需要更換潤滑劑（永久潤滑）。

結構設計合理：在低負載工業機器人工作單元設計方面，規劃更加可靠而且極大地節省了制造成本；采用集成式能源供應系統，占用空間小，在狹隘空間下也能充分發揮自身的性能；在機器人本體軸的多個安裝點上可安裝附加設備（如閥門和輸入輸出模塊），可進一步節省空間。

2 低負載機器人在自動化改造的應用實例

本實例為某國產汽車剎車盤制造廠商的生產線自動化改造項目，使用的是負載60kg 的低負載工業機器人，在本實例當中，機器人一共對接三臺機床，一臺檢測設備，一個過渡定位臺和三個無動力輥道，并成功滿足不同機床的協作配合生產和工序節拍要求，系統布局圖如圖1 所示。本實例中，機器人整個工作過程可主要分為兩個部分，即上料過程和下料過程。

2.1 上料過程

人工將汽車剎車盤置于上料輥道上，剎車盤受到重力作用自行運動到輥道末端位置，末端傳感器檢測到到位信號，舉升裝置頂起剎車盤并將其定位，機器人利用電磁鐵抓手將剎車盤抓起（電磁鐵抓手如圖2 所示），上料到OP10 工位加工，之后放到過渡定位臺上，自下而上反面抓取剎車盤并上料到OP20 工位加工，然后上料到OP30 工位加工，OP40 檢測設備上檢測。此為整個上料過程，每當傳感器檢測到上料到位信號，機器人就重復以上動作。

圖2 電磁鐵抓手二維圖

2.2 下料過程

OP40 設備檢測加工完成的剎車盤，若OP40 設備檢測剎車盤為合格件，則由機器人利用電磁鐵抓手抓起剎車盤，將其放到下料輥道上，剎車盤受到重力作用自行運動到下料輥道末端位置，再由人工取件；若OP40 設備檢測剎車盤為不合格件，則由機器人利用電磁鐵抓手抓起剎車盤，將其放到廢料道上，剎車盤受到重力作用自行運動到廢料道末端位置，再由人工取件；此為整個下料過程，每當OP40 設備檢測完畢并發出信號，機器人就重復以上動作。

2.3 機械設備簡介

2.3.1 上下料輸送料道

該設備主要是由頂升機構、擋料機構、無動力滾筒等機構組成。

上、下料道為無動力滾筒形式，上料輥道末端位置滾筒材質為聚氨酯，以避免頂升機構舉升定位剎車盤時對剎車盤產生磨損，保護工件表面，上料輥道除末端位置外其余位置所配滾筒材質均為不銹鋼，保證強度滿足輸送要求；整體料道設計時留有傾斜角度，剎車盤置于輥道上時，由于剎車盤自身重力作用，克服與不銹鋼滾筒之間的摩擦力，剎車盤自行產生運動，運動到輥道終點位置停下，并被料道終點位置的傳感器檢測到，傳感器就發出工件到位信號；上料輸送料道末端部安裝有頂升定位機構，可以保證來料的規律和一致性來滿足機器人抓取的精度要求，上下料道結構形式一樣，差異為下料道末端無舉升定位機構。所有料道均采用可調式機械結構，即左右兩側的滾筒距離可以調整，通過調整輥道兩側的可調手柄和螺母，以適應不同種剎車盤直徑尺寸的不同，從而滿足不同類型剎車盤的生產需求，實現多種剎車盤的適配和共用。

頂升機構：用于保證機器人抓取的精度，只安裝在上料輥道末端位置，只要剎車盤運動到上料輥道末端位置，傳感器發出到位信號，頂升機構氣缸就開始動作，頂升機構上的錐形塊接觸工件，并起到自定心的作用。應當每日檢查氣缸是否動作正常，頂升機構的導向軸是否變形，頂升防墜功能是否正常，并且每周清理表面灰塵、油污等雜物。

擋料機構：用于阻擋工件，隔離要抓取的工件，保證抓具正常工作，只要頂升機構的傳感器檢測到氣缸桿沒有降下去或者剎車盤還沒被抓取，擋料機構的氣缸就會一直作用，下一個待抓取的剎車盤就會停在擋料位置；只要頂升機構的傳感器檢測到氣缸桿降下去且剎車盤已經被抓取，擋料機構的氣缸就會動作一次，待抓取的剎車盤就會從擋料位置運動到輥道末端，等待下一次抓取。應當每日檢查擋塊是否變形，氣缸是否正常。

無動力滾筒：用于傳送工件。應當每周檢查是否出現損壞，每月檢查潤滑情況。

圖3 上下料輸送料道三維圖

2.3.2 過渡定位臺

該部件主要由定位機構、檢測開關等組成。

定位翻轉臺結構簡單，穩定可靠；采用中心孔定位的方式，且定位工裝上的檢測開關可以起到信號交互連鎖的作用。

定位翻轉臺用于工件的精定位和翻面抓取，機器人從OP10 工位上抓取加工好的剎車盤，并將其置于過渡定位臺上，過渡定位臺上的錐形塊接觸剎車盤，并起到自定心的作用，且根據不同種類剎車盤內孔尺寸的大小，更換不同尺寸大小的錐形塊，以滿足不同類型剎車盤的生產需求，實現多種剎車盤的適配和共用；定位剎車盤時機器人自上而下將其放置在錐形塊上，再次抓取時，機器人自下而上抓取剎車盤，從而實現翻面抓取，并將其放到OP20 工位加工。應當每日檢查檢測開關是否正常工作，檢查定位機構是否損壞變形，并每日對其清理。

圖4 過渡定位臺三維圖

2.3.3 電磁鐵抓手

該部件主要由電磁鐵、接近開關及相關機械結構構成。

主要工作是作為機器人的抓具，此抓具根據生產加工工藝以及產品外形及工件的擺放姿態、空間綜合考慮來設計，完全滿足機器人抓取上下料的要求。

該抓具采用電磁鐵抓取形式，能夠有效抓取工件并保證穩定運行，并在斷電同時迅速退去工件表面磁性。此抓具采用可調式的機械結構，根據抓盤上U 型孔旁的刻度，同時調節三個電磁鐵之間的間距大小，以滿足不同種類的剎車盤外圓尺寸大小，能滿足一定范圍內不同尺寸產品的生產要求。此抓具設有保護報警措施，機器人正常工作時，安全觸點開關閉合，不觸發報警信號；機器人一旦與設備發生碰撞，抓具上中間連接塊斷裂，安全觸點開關被打開，發出報警信號且機器人立即停止動作，等待處理。

圖5 電磁鐵抓手三維圖

2.3.4 安全防護系統

整線改造后，機器人外圍安裝圍欄防護，并且至少安裝1 套安全門，用于機器人或專機設備故障處理、日常維護等。在機器人正常工作狀態，安全門必須關上，不觸發報警；任一安全門若被打開，立即觸發報警，且所有機器人會立即停止運行。

機器人區域安裝有安全護欄，而且在工人工作作業的區域配有相關安全標示；機器人工作區域設置一個檢修門，檢修門上設安全門鎖，安全門鎖與電控系統連鎖，一旦打開檢修門立即停止機器人及相關設備的運轉。為了保證可靠性，安全門常閉觸點連接雙通道同時檢測，故障急停及其他關鍵信號采用繼電器常開觸點，作常閉信號處理（即保證在系統故障、繼電器損壞及斷線等情況下的狀態一致性）。

圖6 安全防護門實物圖

安全門按鈕實現如下功能：

生產線正常自動運行情況下，啟動燈常亮。

節拍結束后按下停止按鈕，請求進入，停止按鈕燈1 秒頻率閃爍，啟動按鈕燈滅，該安全區域完成一個工作循環停止運行后，停止按鈕燈常亮。工作人員進入，工作完成后，關閉安全門，按下啟動按鈕，啟動按鈕燈亮，停止按鈕燈滅。

急停按鈕拍下，急停燈常亮，故障排除后，松開急停按鈕，在沒有按復位按鈕的情況下，急停1 秒頻率閃爍，復位后，急停燈滅。

2.3.5 機器人及其附件

該部件主要由低負載工業機器人、機器人底座、管線包及其組件。

主要工作是攜帶電磁抓手從上料道抓取工件，將工件抓取放到各個設備進行加工或者檢測，然后再將其工件放入下料道或者廢料道。其中底座用于固定機器人，管線包用于整合線纜。

機器人管線包主要包含：波紋管，固定座，耐磨環。

由于波紋管內有線纜，需要仔細檢查波紋管磨損情況，如果磨損嚴重，則需要及時更換損壞的管路；如果發現波紋管松弛，則需及時調整固定座；如果波紋管和機器人本體有接觸，則需要及時增加和更換耐磨環。

3 結語

此次成功實例為某國產汽車剎車盤制造廠商的生產線自動化改造項目。由此說明，使用低負載工業機器人不僅可以在一定程度上節約成本，而且可以利用其靈活性實現在狹隘空間下對接多臺設備，最大限度地發揮機器人的性能，減輕更多的機床操作人員的勞動強度，并且大幅提高企業生產效率[3]。