基于工業機器人的渦旋壓縮機智能生產線的設計

蘇建 黃程 史添升 徐前 屠一凡

摘要：為提高渦旋壓縮機的生產效率和生產精度，設計了一種融合2臺工業機器人、3臺數控機床的智能生產線。首先，構建了包含數控機床、工業機器人、PLC、工業視覺等設備的智能生產線硬件系統;然后，提出了 PLC控制工業機器人實現高效作業的優化方法;最后，設計了兩套工業機器人多功能末端工具，并對工業機器人進行示教與編程，實現動渦旋和靜渦旋生產作業。實驗表明，該系統平均每170 s可生產2個動渦旋和2個靜渦旋，質量檢測正確率高，生產效率高，符合實際生產應用。

關鍵詞：工業機器人;渦旋壓縮機;工業視覺;智能生產線

中圖分類號：TP242.2???????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0108-04????????????????????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Intelligent Production Line for Scroll Compressor Based on Industrial Robot

Su Jian ，Huang Cheng ，Shi Tiansheng ，Xu Qian ，Tu Yifan

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Suzhou Vocational University， Suzhou， Jiangsu 215104， China）

Abstract： In order to improve the processing efficiency and production accuracy of scroll compressor， an intelligent production line was designed， which integrated two industrial robots and three CNC machines. Firstly， the hardware system of intelligent production line including CNC machines， industrial robots， PLC ， industrial vision and other equipment was constructed. Then， the optimization method of PLC control industrial robot was proposed. Finally， two sets of multi-functional industrial robot end tools were designed， and the industrial robot was taught and programmed to realize the production of moving scroll and static scroll. The test results show that the system can produce 2 moving vortices and 2 static vortices per 170 s， with high quality detection accuracy and high production efficiency. The system is in line with the actual production application.

Key words： industrial robot; scroll compressor; industrial vision; intelligent production line

0 引言

壓縮機是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種從動的流體機械，是制冷系統的“心臟”，空調最核心的部件是壓縮機，一臺壓縮機可以占到整臺空調成本的30%～40%，制冷系統的好壞與壓縮機有著最密切的關系。壓縮機廣泛運用于工業、農業、交通運輸、醫療器械等行業，市場需求量巨大。渦旋壓縮機是一種容積式壓縮的壓縮機，壓縮部件由動渦旋和靜渦旋組成，它兼具往復壓縮機與旋轉式壓縮機的優點，具有體積小、重量輕、噪聲振動低及結構簡單等特點[1-2]。

當前，以數字化、網絡化、智能化為發展方向的智能制造迎來了深刻變革，逐漸成為新一輪工業革命的核心驅動力。工業機器人作為智能制造中智能裝備的典型代表，已在汽車、3C等行業得到廣泛應用。搬運控制系統是工業機器人應用的一個重要分支，作為先進制造業中不可替代的重要裝備和手段[3]。由于人口紅利漸弱，原材料成本提升，“機器換人”成為制造業轉型升級、提高科技含量、增加產品附加值的必然趨勢。

當前，壓縮機的生產還停留在數控機床獨立批量加工為主，部分產線雖實現了“一機床、一機器人”的工作站單元[4-5]，但是生產與檢測效率還不夠高。集合加工、檢測、分揀于一體的多機器人、多機床的智能生產線優化控制方案較少。本文構建了集 PLC 、工業機器人、數控機床、比對儀、壓襯套機、打磨拋光機于一體的多功能、高效率的渦旋壓縮機智能制造生產系統。基于工業以太網通信技術，提出了的 PLC 控制工業機器人的優化算法，設計了兩套工業機器人多功能末端夾具，實現渦旋壓縮機的先進制造、快速檢測、高效生產。

1 系統方案設計

為了提高動、靜渦旋盤生產質量和生產效率，本文設計了一套渦旋壓縮機智能生產系統。

1.1 設備選型

S7-1200PLC 具有一個集成的支持 MODBUS-TCP 協議的 PROFINET網口，能夠將 PLC、工業機器人和視覺系統建立關聯，實現數據的通信與交互[6]。本系統選用西門子 PLC、HMI 和康耐視工業視覺，與 FANUC機器人進行以太網通信。設備選型清單如表1所示。

1.2 系統布局

如圖1～2所示，渦旋壓縮機智能生產線主要由工業機器人、數控機床、物料輸送帶、工業視覺、比對儀、壓襯套機、打磨拋光機等組成。其中工業機器人主要實現渦旋壓縮式動渦旋盤（下文簡稱動盤）和靜渦旋盤（下文簡稱靜盤）的搬運和機床上下料;物料輸送帶由變頻器驅動三相交流電動機控制、在關鍵節點位加裝到位傳感器（多采用接近開關）組成，完成托盤的輸送;工業視覺用于檢測動盤和靜盤的角度、位置;比對儀測量機由比對儀、工件滑臺、移送機構組成，完成在線加工尺寸測量，及加工誤差反饋;數控機床主要進行大、動盤加工;壓襯套機主要將軸襯套壓入動盤偏心軸套內;打磨拋光機主要對動盤基準面進行精拋光。

1.3 網絡構建

渦旋壓縮機智能控制系統網絡拓撲圖如圖3所示，其中西門子 PLC、HMI 和變頻器選用西門子產品自帶的PROFI-NET 通信協議，工業機器人、工業相機、比對儀通過安裝相應的 GSD 文件后實現工業以太網通信。 CNC1、CNC2、CNC3、壓襯機和打磨拋光機通過開關量方式進行控制。

2 視覺檢測與 PLC程序設計

2.1 視覺檢測

工業視覺系統是指通過工業相機把圖像抓取并傳送至處理單元，通過數字化處理，根據像素分布和亮度、顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。孫躍軍[7]、江浩[8]、于帥[9]、吳安成[10]已成功將視覺系統應用于壓縮機的檢測與定位。

由于原料在輸送帶輸送過程可能存在角度或位置偏移，造成機器人物料抓取偏差，影響機床的加工精度。本系統中，在機器人抓取半成品原料前，利用工業視覺對動盤和靜盤進行區分，并且正確識別位置和角度，以便機器人正確可靠抓取原料。

基于康耐視視覺及 VisionPRO軟件對動盤和靜盤圖像進行灰度處理、二值化處理和模板匹配，獲取動、靜盤的X 方向像素為427.12和482.07，Y方向像素為348.50和407.84，工件偏移角度為-2.71和2.93，并將特征數據發送給 PLC ，如圖4所示。

2.2? PLC與機器人通信

S7-1200PLC為本系統主控單元，實現整個生產加工流程的控制、數據交互、機器人動作的控制。其中， PLC與兩臺工業機器人通過以太網通信，實時發送給兩臺工業機器人控制字 CTR1和 CTR2，同時兩臺工業機器人又實時反饋給 PLC兩個狀態字 STA1和 STA2，實現一個 PLC控制兩臺工業機器人的搬運動作流程。如圖5所示為 PLC 與 Robot1通信程序，? Robot1的 IP 為192.168.8.40， PLC 發送給 Robot1的4個節數據存放在 DB45中， Robot1發送給 PLC 的4個節數據存放在 DB46中。PLC與 Robot2通信程序類似，不再贅述。

2.3 PLC主控程序流程

PLC程序流程如圖6所示，PLC發送給兩臺工業機器人的控制字如表2所示。

3 工業機器人示教編程

3.1 機器人末端工具設計

Robot1末端工具為兩套三指手爪和一套二指手爪，如圖7所示。手爪1和手爪2配備旋轉氣缸，可以旋轉工件，三指手爪外夾工件頂端外圓面，配氣動推盤，可以為車床及比對儀上下料，手指前段為耐磨墊塊結構（墊塊材料12Cr ，硬度大于或等于 HRC45）。夾取工件的圓柱外側面，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開。手爪1進行托盤上取料和機床上料，手爪2進行機床下料。手爪3為二指手爪，可以進行托盤下料。末端工具上配備有吹氣裝置，用于清理工件及機床卡盤。

Robot2末端工具有4種手爪，如圖8所示。手爪1為三指手爪，配備氣動推盤，可以為車床上料，手爪2為兩指形式，為車床下料和拋磨機、比對儀、清理鐵屑臺上下料。手指前段的夾塊為 V 型結構，夾取工件的工件的小圓柱側面。手爪3為內撐形式的三指手爪，手指上配備尼龍墊塊，內撐軸承工件內孔，且配備調壓閥。手爪4為壓機上下料及托盤下料手爪，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開工件不會掉落[11-12]。

3.2 機器人抓取位置的計算

例如 P0為機器視覺中心，如式（1） 所示，同時也是機器人示教基準位置，其中 X0、Y0、Z0為機器人 TCP 點（末端工具中心點）的位置數據，RX0，RY0，RZ0為機器人 TCP點的姿態數據。ΔX、ΔY為視覺檢測處理后發送給 PLC的物料中心偏移位置，分別與 X0、Y0代數和即可得到機器人實際抓取物料的位置，如式（2） ～ （3） 所示;Δα為視覺檢測后的物料角度數據，與 RZ0代數和即可得到機器人實際抓取物料的角度姿態，如公示4所示。通過ΔX、ΔY、Δα四個數據的代數和計算，得到當前物料實際吸持位置為 P1，如式（5）所示。

3.3 機器人關鍵位置示教

根據加工流程與工藝要求，Robot1共有7個靜盤工件的搬運動作，需要示教11個關鍵位置;Robot1共有8個動盤搬運動作和2個靜盤搬運動作，需要示教17個關鍵位置。兩臺機器人的搬運動作流程、控制字和示教關鍵位置如表2～3所示。

3.4 工業機器人程序

Robot1主程序 MAIN 如下所示，其中 GO[1]為機器人發送給 PLC的狀態字 STA1，GI[1]為 PLC發送給機器人的控制字 CTR1：

4 結束語

本文構建了基于工業機器人的智能生產線控制系統，設計了兩套多功能工業機器人末端夾具，利用工業視覺系統正確檢測動盤和靜盤的位置，提高了機器人抓取物料的精度和機床加工精度，最后基于工業以太網通信技術實現了數據的快速交互與實現了壓縮機高效生產方法。測試證明，靜盤雙車床單元節拍是76 s/件，動盤車床拋光壓制單元節拍85 s/件，即170 s可生產2個靜盤工件及2個動盤工件，實現渦旋壓縮機的先進制造、快速檢測、高效生產。

參考文獻：

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[12]李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人多功能末端執行器的設計[J].包裝工程，2011，32（7）：80-84.

第一作者簡介：蘇建（1982-），碩士研究生，高級講師，研究領域為工業機器人及機器視覺技術。???? （編輯：刁少華）