機器人上料自動化在汽車發動機缸蓋加工線的應用

錢濤

摘 要：隨著人口老齡化以及勞動力的逐漸減少，勞動密集型制造企業用工成本逐年升高，以自動化設備代替人工的需求迫切，另一方面，隨著機器人及圖像識別產業的日趨成熟以及制造成本的不斷下降，“機器換人”的經濟性也逐漸凸顯。文章將介紹汽車行業中，機器人上料自動化裝置在發動機加工線的應用。

關鍵詞：機器人;自動化;圖像識別;發動機加工

中圖分類號：460.2599? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-181-05

Application Of Robot Feeding Automation Devices In The Production Line

Of Cylinder Head

Qian Tao

（GAC TOYOTA Engine CO.， LTD. Manufacturing Department， Guangdong Guangzhou 511455）

Abstract： As the population ages and the labor force decrease gradually， the labor cost of labor-intensive manufacturing companies has increased year by year. Hence the need to replace manual labor with automated equipment is urgent. On the other hand， the robot and image recognition technique have matured and their costs have continued to decline. Therefore， the economics of "machine substitution" are becoming more and more prominent. This article will introduce the application of robot feeding automation devices in the production line of cylinder head.

Keywords： Robot; Automation; Image recognition; Engine cylinder process

CLC NO.： 460.2599? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-181-05

引言

我司2018年開始進行汽車發動機產品、產線全面升級，結合“中國制造2025”戰略，重點推進發動機生產線自動化的引進。針對發動機箱體生產線，除實現加工設備自動化外，對上料工位也要采用自動化上料裝置。以前舊箱體加工線采用手工上料，自動化程度低，占地面積大，工件（滾動）噪音大。本裝置就是為了提高自動化程度、減少人工成本、降低崗位噪音、改善環境，可實現自動、手動兩種功能。

1 方案設計

根據規劃，設計產能為18000臺/月，節拍為48s/臺，全自動作業，必須滿足兩種產品柔性、高效生產要求，在機器人故障時可快速后備作業，因此要全面考慮工件收納形態、料籠配送、生產線布局、機器人選型、圖像識別、工件抓取、生產指示、安全防護、硬軟件系統、人機界面、工藝流程及程序、手動（后備）作業等要求。

1.1 工件及收納形態

本文對象工件為發動機鋁合金缸蓋毛坯，有兩種產品，自行鑄造生產，分別層疊擺放在標準倉庫籠中。倉庫籠尺寸1200×1000×750mm，分別可以收納40件與32件（圖1）。毛坯與毛坯、料籠之間均預留間隙，防止收納、抓取時干涉;同時，間隙不能過于寬松（要小于工件尺寸的一半），防止搬運中工件傾倒，影響抓取。

1.2 物料配送

倉庫籠放在定制臺車上，臺車四周有四個直角擋塊，起定位及防止料籠滑落作用（圖2），倉庫籠與臺車的定位偏差量在50mm以內，物流人員將帶料籠的臺車從鑄造車間用牽引車配送至加工線指定區域，再由生產線人員手動將臺車推入到設備內料框定位處。

1.3 設備整體構成及布局

設備外形尺寸（長×寬× 高）：6055×5860×2400mm，采用機器人配合定制夾具及相機識別系統，對籠內工件拆垛抓取，放到指定位置，打刻（二維碼）后通過自動輥道送往加工設備。為滿足多產品生產要求，采用多關節機器人，地面固定式安裝，采用1臺機器人對應2種產品的布局，左右分別是兩種不用產品的倉庫籠，機器人在中間，分別設計了后備投入輥道對應后備生產（圖3）。

1.4 機器人選型

根據式樣以及穩定性等指標，機器人選用發那科R- 2000ic/165F，6軸多關節，操作空間可達半徑2655mm，機器人有效負載165KG，而產品重量在20kg左右，機器人重復定位精度±0.05mm，滿足現場使用需求。

1.5 臺車料籠定位

考慮到料籠在臺車上的偏差，為消除料籠的位置偏移造成抓取效率低，在兩側安裝上導向及定位條，確保左右偏移量在50mm以內，前端安裝一個到位行程開關，確保臺車推到合適的位置（圖4）。要確保左右方向偏移量在100mm以內，前后偏移量在50mm以內，最大程度確保識別及抓取效率，降低風險。

1.6 識別及工件夾取

考慮到在收納、搬運過程中的臺車振動導致的工件位置偏移以及倉庫籠（臺車）的定位偏差，采用2D相機識別定位，采用發那科R-30iB 2D相機，接入機器人控制系統與機器人聯動，相機安裝在夾爪前端，選取缸蓋中間的火花塞孔作為工件識別特征點（圖5）。為消除Z方向誤識別的影響，通過工件、料籠、臺車三者之間的定位偏移量調整相機識別范圍，確保機器人逐層按順序進行工件識別、記憶及工件夾取。

1.7 工件夾取

根據產品特征以及收納時的狀態，夾爪設計成抱夾式，夾取產品中間位置，可有效防止與倉庫籠及產品之間的干涉撞機;夾爪行程可調，可滿足2種產品需求;在夾爪中間安裝了彈性在位檢測機構，防止產品少夾或過夾;為適應產品的輕微傾斜，在機器人與夾爪間設計了浮動單元; 考慮到料籠中工件極端狀態，在夾爪末端設計了防掛籠裝置，防止機器人強制動作導致設備損壞，確保人員安全;夾爪前端安裝了缸蓋位置識別、校正相機，抓取缸蓋前先拍照，根據成像校正缸蓋位置后再進行抓取（圖6）。

1.8 生產指示及刻印

該單元主要作用是刻印機從生產管理控制系統（統括盤）接受產品信息，將信息發送給機器人正確抓取，同時將包含生產日期加工順序的信息以數字碼及二維碼形式刻印在缸蓋上，便于后續加工的指示以及追溯。

1.9 安全防護

在機器人四周設置了安全圍欄，采用30型材作為骨架，網格為碳鋼激光切割材料，高度2400mm，在兩側送料口各設置了安全光柵，確保作業者誤進入時機器人立即停止，在圍欄內設置了一組區域傳感器，確保換籠作業時機器人不會因誤操作及其他原因作動到換籠區域。維修點檢門在前側，配有安全鎖與機器人聯鎖，門打開時機器人動力切斷，整套裝置操作盤設在側面，可以邊操作邊觀察設備內情況（圖7），保證作業安全。

2 系統組成

2.1 硬件系統

本系統硬件由豐田工機PLC和DM組成。其中PLC為豐田工機TOYOPUC-Plus，安全控制PLC為TOYOPUC- PCS-J，DM操作盤為FP-07XXGS系列，硬件組態如圖8所示。

2.2 軟件系統

軟件平臺采用windows XP，編程軟件為 PCwin，安全PLC編程軟件為PCwin-Safe2，普通PLC與安全PLC之間通過I/F電纜連接，與操作盤DM之間的通信協議為Ethernet，與安東之間的通信協議為EtherNet/IP，與掃碼器及其他區域的通信協議也為EtherNet/IP，打刻機與PLC的通信協議為SIO模式，RS-232C協議。

3 工藝流程及程序

3.1 基本流程

基本流程主要由3部分構成：正常運轉流程、換籠作業流程、后備作業流程。

3.1.1 正常運轉流程

正常運轉流程從原位置開始，到工件送入到加工設備作為一個完整循環（圖9）。

3.1.2 換籠作業流程

換籠作業流程從報警指示發出到再開始準備作為一個循環（圖10）。

3.1.3 后備作業流程

后備作業流程從機器人操作按鈕切換無效到啟動開關作為一個循環（圖11）。

3.2 編寫梯形圖

正常自動運轉系統控制系統圖如圖12所示。

換籠作業系統控制系統圖如圖13所示。

后備作業控制系統圖如圖14所示。

3.3 安全回路

機器人與安全柵（光柵、區域傳感器）、檢修門安全鎖、急停開關均有互鎖，確保異常時機器人立即停止，回路如圖15所示。

4 人機界面

操作屏畫面由單動畫面、工件信息、狀態表示、前后工程互鎖、安全I/O監視、循環顯示器、PLC工具等畫面組成，如圖16圖17所示。

圖18是產品料籠工件信息的畫面，亮綠色表示該位置有工件，該位置無工件后亮紅色，可使用“單動+運轉準備”對該畫面進行工件數量的修正。該畫面還會指示機器人到產品下一工件的位置和料籠剩余工件數。

5 調試及試運轉

5.1 通信建立

主要是豐工TOYOPUC-Plus通過RS232C與M4打刻機通信調試。

5.1.1 通信線連接

5.1.2 打刻機通信參數設置

5.1.3 打刻機通信參數設置

5.1.4 通信步驟

a.通信規格設定b.模塊重置釋放c.通道復位d.發送接收授權打開e.SIO狀態讀出f.在SIO中寫入發送數據然后發送。

5.2 調試、運轉

開機空運轉，通過畫面操作觀察PLC輸出點的狀態，與設計動作一致后再進行帶工件的單動示教，確保各工件正常抓取。單動調試合格后再進行整籠抓取，期間連續做了25籠（1000件產品）的測試，不斷修正料籠工件識別及抓取的狀態，做到正確識別及抓取率99.99%，滿足后面量產需求。

6 結論

經過半年的投入使用，整個自動上料系統運行可靠，滿足2班連續生產要求，自動手動切換快捷，實現了高效生產要求，安全功能有效保護設備及作業者安全，滿足安全生產要求，使成熟的自動化控制技術更好的應用于生產，為公司下一步數字制造轉向智能制造打下堅實基礎。

參考文獻

[1] 李雪靜，杜玉紅.小型搬運機械手結構及PLC控制系統的設計[J].裝備制造技術，2010年03期：58-66.