工業機器人自動化生產線布局設計與優化策略

朱文良

摘要：因為工業機器人工作效率高，可以適應極端環境，而且具有可編程優勢，能應用于重復勞動需求量大、危險的作業環境當中。工業生產中，可利用工業機器人完成焊接、噴涂、搬運等工作。生產環境零件拾取同樣也可以用工業機器人完成，不但效率高，而且安全性能夠得到保證。在生產線布局過程，可以根據生產流程需求，對于工業機器人應用展開合理設計，優化生產流程。下文以自動生產線取件系統中工業機器人的布局設計為例，對生產線布局方案和優化策略進行分析。

關鍵詞：工業機器人;自動化生產線;布局設計;優化策略

引言：部分工業制造產品具有小批量和多批次特點，特別是鈦合金的熱形成零件制作，國內大多利用人工方式進行取件。借助仿真技術，對于工業機器人在該領域中的應用進行分析，能夠根據自動生產線布局要求，優化設計機器人工位設計，解決生產線當中機器人數量過多產生干涉的問題，還能優化生產線設計。

一、自動生產線工業機器人布局要求分析

在傳統的工業生產線當中，取件系統是按照經驗對于工業機器人進行選型，并完成工位布局。設計過程，利用實時算法，忽略碰撞情況，獲得布局方案。實際應用過程，碰撞問題時有發生。考慮以往設計通常將側重點放在機器人之間、機器人生產設備之間的干涉，并未將末端執行器、生產零件、機器人三者之間的關系考慮其中。生產線優化布局，應將取件消耗時間作為基礎，完成工業機器人設計與布局，并對其運行軌跡進行優化。如果沒有考慮機器人在抓取過程，零件尺寸對于生產線布局、機器人行走軌跡產生的影響，就會影響生產效率。實際上，在工業生產線上，機器人碰撞、抓取零件尺寸均與設計布局有關，也和軌跡優化存在直接關聯。由于傳統生產線設計方法忽略了機器人、執行器、零件三者之間碰撞問題，所以，難以對其抓取零件的最大化尺寸展開優化。鑒于此，本研究從以上布局缺陷角度出發，選擇鈦合金熱形成自動化生產線的取件系統作為對象，利用仿真軟件、計算軟件完成建模，進行碰撞檢測與可視化分析，設計出機器人自動取件系統，優化工業生產線布局。該生產線生產零件的尺寸為1.5m×3.5m，單獨零件質量在50kg之以內，要求工位機器人抓取時間間隔在120s以內，末端的抓取精度誤差2mm內，生產線設備適應性良好，能夠和各類型號熱成型機相適應，滿足大曲率的零件抓取需求[1]。

二、自動生產線工業機器人布局方案

（一）末端執行器

末端執行器通過真空吸盤夾取裝置連接，裝置具有柔性化特征，可應用于鈦合金零件的熱形成領域。因為生產工況環境高溫，需要使用末端執行器進行夾取。工業機器人在自動生產線中的應用，應該保證其荷載發揮到極致，同時，還需控制取件環節碰撞問題的發生，保證夾取裝置和工業機器人的法蘭盤距離最小。

（二）流程設計

在自動化生產線當中，工業機器人取件流程是根據零件規格大小、取件方法等完成流程設計。小型零件厚度0.5～1.0mm，長寬0.4m×0.3 m，質量介于0～8kg間，曲率在0.1之內;中型零件厚度0.5～2.0mm，長寬0.4m×0.3 m～2.6m×1.2m，質量介于8～30kg間，曲率在0.15之內;大型零件厚度0.5～3.0mm，長寬2.6m×1.2m～3.5×1.5m，質量介于30～50kg間，曲率在0.1之內。取件方法有兩種，一是正面取件，二是側面取件。正面取件主要用于中小型的零件，先將其抬起，之后圍繞第1軸，將零件旋轉90°，置于零件臺。利用側方取件，可先將零件抬高300mm，之后向外平移，圍繞第5軸進行旋轉180°，之后置于零件臺。

（三）選擇機器人

工業機器人的選型應該重點考慮執行器的質量（G）、零件質量（D）、機器人荷載（P）三方面內容，還需要將執行器重心到機器人軸距（X）考慮其中。具體設計過程，因為機器人夾具的零件相對較大，所以，當其遠離底座的時候，也應該具備較高荷載，X也是工業機器人選型重要限定條件。按照（C+D）·X≤0.5P公式進行計算，利用軟件驗證。按照零件尺寸、取件方法對于工業機器人的臂長進行選擇，并計算機器人能夠達到最遠距離，結合荷載選擇型號，確定自動生產線布局。小、中型件選擇正面取件方式，分別選擇KR90 R2700和KR220 R3100型機器人，大型件選擇側方區間方式，選擇KR210 R3100型機器人[2]。

三、自動生產線工業機器人布局優化策略

生產線的優化布局利用仿真實驗完成，將機器人模型向仿真系統當中導入，并為其添加運動副，對機器人從1軸到6軸的運動進行定義，之后導入執行器模型，建立執行器工具坐標。機器人的第6軸法蘭綁定工具法蘭，并在工具上設立中心點，按照生產系統布局布置物料臺、零件臺等。向中心點來添加運動軌跡，完成機器人運行線路方針，展開碰撞檢測。如果發生碰撞，可能會出現紅色區域，此時需要對規劃路線進行優化與調整，之后重新仿真實驗，通過驗證后，優化機器人的運動軌跡，對其工位動作節奏進行調節，提高生產線的生產效率。

結束語：通過上文對于機器人、末端執行器、生產零件之間的碰撞問題展開分析，從而建立差異化的取件流程。在自動化生產線當中，應明確工業機器人尺寸、零件質量和大小之間產生的約束關系，利用系統完成碰撞檢測，快速尋找適合自動生產線工業機器人使用的布局方案，實現工業生產領域零件的自動化取件，優化生產環境，提高生產效率。

參考文獻：

[1]黃卓.工業機器人自動化生產線布局設計與優化[D].廣東工業大學，2016.

[2]楊波.加工中心改造工業機器人自動化生產線的研究與設計[J].報刊薈萃：下， 2018（4）：1.