自協調多柔性并行裝配線的設計與研發

于 翔，夏啟超，王 昊，劉立杰，段彩云

（山東商務職業學院機電工程系，山東 煙臺 264670）

隨著新興技術的迅猛發展，大數據、互聯網+、智能制造、VR技術已經成為新時代產業經濟發展的主流。市場中訂單需求不斷增多的同時，與其對應的質量要求也在增大，多樣化、多維度、多形態的技術發展空間不斷拓寬，制造業生產模式已由單一化、大批量轉變為復合型、多品種[1]。面對當前激勵的市場競爭環境，企業需要擁有靈活機動的反應機制，生產可供選擇的全型號、高品質產品，以滿足市場需求。因此，為了避免同質化風險，自動化生產線的升級改造成為了很多以機械產品為主的實體企業的首選方式。但是傳統的流水線生產模式雖然結構簡單，但是缺乏及時性（JIT）和規范化，超額生產和配件的反復搬運提高了物資管理成本和人力成本，裝配精度難以有效保證，尤其是當供需關系發生不穩定波動時，流水線往往不負重荷，停產現象時有產生，難以滿足小批量多品種的生產要求。近年來，由于高科技產業拉動的大幅提升，高精度、高效率和高穩定性的多自由度機器人技術日趨成熟和完善，在機械制造業中，被廣泛應用于產品加工和裝配，逐步取代復雜人工作業，對實體經濟的發展起到推動作用[2,3]。然而，同時實現工件抓取和裝配的全自動化生產線尚處于實驗階段，適用于復雜表面的特殊機械手也屬于行業空白。

1 裝配線系統設計

通過企業調研，依托某型號齒輪泵工裝技術要求，開展以提升自動化生產效率為目標的并行工程研究，自主研發了自協調多柔性并行裝配線。該系統由主體框架、控制模塊、執行模塊、安全模塊、顯示模塊和照明模塊構成，其中安全執行模塊配置了泵體抓取機器人、銘牌鑲嵌機器人和兩臺泵蓋裝配機器人。通過各機器人高精度、自協調配合，完成齒輪泵泵體、銘牌和全部螺栓的一次性裝配工作，降低工人勞動強度，縮短節拍時間，提高企業生產效率及產品質量。

1.1 主體框架與控制模塊

主體框架與控制模塊由承載安裝平臺、電氣控制柜和壓氣機組成，其主要作用是提供機器人抓取所需的動力，并作為各機器人支撐的著力點。主體框架與傳送帶直接對接，分為上下兩層。

1.2 執行模塊與安全模塊

執行模塊由四臺機器人組成，分別是安裝在主體框架底部的泵體機器人MH225、吊裝在主體框架頂部的兩個泵蓋裝配機器人TX2-90和一個銘牌抓取機器人TX2-90。每個機器人負責相應配件和半成品的識別和抓取，在各自的運動包絡內完成指定動作。主體框架周圍加裝有光柵傳感器，形成防護壁壘，防止機器人高速運轉時造成人員傷害。

1.3 顯示模塊與照明模塊

顯示模塊安裝在裝配線側面，由看板顯示屏和計算機操作臺組成，方便操作人員及時查看裝配線功能運轉情況。在主體框架頂部裝有照明系統和安全警示燈，操作人員可以在裝配線的任何角度觀察產品的裝配情況，及時發送配件補充信息，做出適度調整。

2 裝配線功能介紹

2.1 理論模型

假設某項產品的裝配工作任務含有n個工序，單個工序節拍時間為Tn（n=1,2,3…），完成整個工作任務所需時間為T總=T1+T2+T3+…+Tn。所以，傳統流水線屬于串行生產方式，工作任務的總時間受到各環節單個工序節拍時間影響。如果采用并行生產方式的理念，對部分工序進行合理的整合和壓縮，可以有效縮短裝配總時間，并且提高裝配線的魯棒性和柔性。改進之后，整個工作任務所需的時間變為T改=min（T1,T2,T3…Tn）。

2.2 產品描述

本企業生產的齒輪泵由五部分裝配而成，分別為左端蓋、泵體、右端蓋、銘牌和螺栓。企業原生產線采用串行裝配模式，為了滿足生產線24小時運行，需要超額生產裝配件，并額外分配人力反復進行搬運，造成庫房緊張，物資管理成本較高；串行生產線生產節拍時間由耗時最長的工序決定，整體效率難以提升；生產線自動化水平難以提升，裝配精度不能保證；整個流水線的布局占地太大，重復性裝配工藝太多，工人活動空間太大，例如螺栓安裝等繁瑣動作占用時間太長。

2.3 實施流程

執行系統主要進行齒輪泵裝配工作，首先將齒輪泵分為三部分，第一、三部分為齒輪泵兩側左、右泵蓋，第二部分為齒輪泵泵體。該生產線啟動之后，安全光柵開啟并開始實時監測，流水線開始運行，吊裝在主體框架上方的三臺TX2-90機器人（兩臺泵蓋機器人、一臺銘牌機器人）以及裝在框架底部MH225泵體機器人同時開始運轉。

工作過程中，泵體放置在底層傳送帶上，到達位置后由MH225泵體機器人進行抓取并移至指定位置，在抓取時由于泵體本身具有抓取溝槽和機器人信標設計，可以通過分別裝在四臺機械手上的視覺傳感器進行高精度定位，進而實現抓取。同時兩個泵蓋機器人TX2-90位于傳送帶上方，由吊裝在機械手轉接板上的電機逐次開始對裝在生產線上的螺釘進行吸附，通過機械手轉接板上的氣缸動作改變機械手轉接板狀態，通過視覺傳感器的高精度對接完成上下端蓋的吸附動作，并移動至MH225泵體機器人的運動包絡內由視覺傳感器進行位置識別，實施泵體定位安裝。銘牌機器人TX2-90通過機械手上的視覺傳感器定位銘牌螺釘，通過夾取氣缸裝夾銘牌并移至MH225泵體機器人的運動包絡內再次通過視覺傳感器實現定位安裝。最后三臺TX2-90機器人同步進行裝配。齒輪泵總裝完成，由MH225泵體機器人將裝配完成的齒輪泵放置傳送帶送往下一工序，其工作流程，如圖1所示。

圖1 齒輪泵自協調裝配

3 裝配線的主要特征

3.1 低強度高效率分配方案

根據產品規格和外形尺寸，各機器人可以自由調整工作節拍時間，同步并行協調裝配，一次性完成產品所需的所有裝配工序。每個制造單元只需一名操作人員進行控制，節省人力成本，提高生產效率，基本滿足小批量多品種的企業生產需求。

3.2 免工裝多維度結構布局

通過機器人之間“握手”配合，減少工裝胎具的使用，企業無需胎具維護極大地降低了生產成本，四條傳送帶并行排布的復式結構設計可以有效利用廠房三維空間，減少廠區占地面積，提升利用率。

3.3 自識別高精度裝配系統

機器人末端加裝視覺識別系統。在抓取工件時，可通過信標提高抓取精度，進行工件和位置識別。工作中，機器人可以進行快速移動后的二次高精度定位，提升移動速度的同時，以保證裝配精度，提升系統的容錯糾錯能力。

3.4 多用途一體化執行元件

為了實現工件抓取與螺栓安裝同步完成，執行系統采用力-位混合型機器人末端執行器。該執行器由U型轉接板、多自由度電機、夾取氣缸、視覺傳感器等組成。相比較常規型載荷執行器和搬運執行器，該執行器通用性更好，易于動靜態控制切換，適合復雜平面的抓取和安裝，應用領域更為寬泛。

4 結語

自協調多柔性并行裝配線采用并行工程的設計理念，在一定程度上提高了生產裝配過程中的柔性能力和生產效率，改善了產品裝配作業中的人機關系和生產環境，與精益生產、敏捷制造和小批量定制等當前先進制造模式相切合，為其它先進制造系統的創新研發提供了參考和借鑒。