一種工業(yè)機(jī)器人智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫永芳

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已成為熱沖壓智能生產(chǎn)線中十分重要的裝備之一；越來越多的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用于生產(chǎn)線現(xiàn)場，對于生產(chǎn)效率、精度、柔性等方面具有顯著提高作用，并且工業(yè)機(jī)器人可降低生產(chǎn)成本的同時，可完成許多人類不可能完成的工作。熱沖壓工序?qū)τ诹隙返纳a(chǎn)十分重要，但是生產(chǎn)過程的環(huán)境非常惡劣，為此本研究將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于熱沖壓工序的自動化升級，對于料斗的生產(chǎn)效率及精細(xì)化水平具有重要提升作用。

1 工業(yè)機(jī)器人的熱沖壓智能生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)料斗的生產(chǎn)方式為：首先對原材料進(jìn)行切割，利用箱式電阻爐將板料加熱至700 ℃，之后將加熱完成的板料從箱式電阻爐內(nèi)取出，放置模具上進(jìn)行位置擺放，然后即可利用熱沖壓技術(shù)使其成型；并將成型的工件模具放置成垛。由于板料的生產(chǎn)環(huán)境十分惡劣，使工人的勞動強(qiáng)度超過自身所能承受的最大范圍，該現(xiàn)象不利于板料的大規(guī)模生產(chǎn)，無法滿足日益增長的產(chǎn)能需求。除此之外，加熱后的板料溫度過高，不利于工作人員對位置的精準(zhǔn)控制，可造成工件成型的誤差較大，對工件進(jìn)行組對焊接時，需要人工對板料進(jìn)行切割、強(qiáng)行敲打等操作，造成料斗的精細(xì)化程度較低。

1.2 方案設(shè)計(jì)

本研究為解決工作人員勞動強(qiáng)度過大、作業(yè)環(huán)境過于惡劣等問題，利用工業(yè)機(jī)器人對高溫板料進(jìn)行上料、擺放定位、工件下料等操作。該方式有利于最大限度地降低工人的勞動強(qiáng)度，充分滿足日益增長的產(chǎn)能需求。對電阻爐部分進(jìn)行選擇時，采用加熱速度更高的感應(yīng)加熱爐，實(shí)現(xiàn)對板料的熱沖壓溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，有利于最大限度地提高生產(chǎn)效率。

為保證工件的成型精度，利用工業(yè)機(jī)器人的視覺定位系統(tǒng)對感應(yīng)加熱爐輸出的板料進(jìn)行定位，以此控制工業(yè)機(jī)器人的取料、擺放定位的精準(zhǔn)度，并且工業(yè)機(jī)器人自身具有較高的重復(fù)定位精度，可減少工件的成型誤差，并提升料斗的精細(xì)化程度。

該生產(chǎn)線主要由沖壓機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、視覺定位系統(tǒng)以及感應(yīng)加熱爐等設(shè)備共同組成。將PLC控制系統(tǒng)作為熱沖壓智能生產(chǎn)線的核心，該系統(tǒng)對于熱沖壓智能生產(chǎn)線的全部設(shè)備具有集中管理功能，有利于協(xié)同完成熱沖壓的各項(xiàng)動作。

1.3 工作流程設(shè)計(jì)

其生產(chǎn)流程主要包括10個步驟：

(1)首先啟動熱沖壓智能生產(chǎn)線的全部設(shè)備，并完成相關(guān)準(zhǔn)備工作；

(2)為提升生產(chǎn)線的工作效率，利用拆垛裝置將板料拆分成小部分，并逐塊將分割后的板料放置感應(yīng)加熱區(qū)；

(3)通過感應(yīng)加熱爐將板料加熱至所需溫度后，將溫度保持在恒定狀態(tài)；

(4)加熱完成后，將板料取出放置于視覺定位臺，該過程需要借助輥道的幫助，使其成為主要運(yùn)輸通道；

(5)視覺定位系統(tǒng)可對高溫板料進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并將位置信息準(zhǔn)確傳遞給工業(yè)機(jī)器人；

(6)機(jī)器人可根據(jù)定位信息將加熱板料擺放至模具固定位置上。擺放完畢后工業(yè)機(jī)器人自動退出沖壓機(jī)工作區(qū)域，并將輸出信號傳輸至沖壓機(jī)；

(7)沖壓機(jī)將輸出信號傳遞至工業(yè)機(jī)器人；

(8)機(jī)器人可根據(jù)需求指令返回沖壓機(jī)對工件進(jìn)行抓取，并進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、碼放等操作，使其放置于料內(nèi)；

(9)利用生產(chǎn)線對工件進(jìn)行自動計(jì)數(shù)，若生產(chǎn)數(shù)量未達(dá)到預(yù)期值，應(yīng)重復(fù)步驟(2)～(8)；

(10)若生產(chǎn)線的數(shù)量可達(dá)到設(shè)定值，即可將工件移出料筐，并將生產(chǎn)線的全部設(shè)備復(fù)位。工業(yè)機(jī)器人的熱沖壓智能生產(chǎn)線工作流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人的熱沖壓智能生產(chǎn)線工作流程Fig.1 Work flow chart of intelligent hot stamping production line of industrial robot

1.4 生產(chǎn)線效能計(jì)算

熱沖壓智能生產(chǎn)線的工作程序較為復(fù)雜，為獲取該生產(chǎn)線的效能，對各工序的耗費(fèi)時長進(jìn)行計(jì)算。熱沖壓智能生產(chǎn)線各工序的工時統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 熱沖壓智能生產(chǎn)線各工序的工時統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Workhour statistics of each process of hot stamping intelligent production line

由表1工作程序的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出生產(chǎn)線的生產(chǎn)效能，其計(jì)算流程：

(1)單個零件總加工時間為各工序時間的總和，即409.1 s；

(2)生產(chǎn)線節(jié)拍時間為最長工序時間，即176.7 s。

為獲取精準(zhǔn)的生產(chǎn)線效能，對單班的實(shí)際可用生產(chǎn)時間進(jìn)行計(jì)算。熱沖壓智能生產(chǎn)線主要由人工進(jìn)行控制，工作人員在實(shí)際工作過程中需要經(jīng)歷制度工作、生產(chǎn)準(zhǔn)備、現(xiàn)場管理以及生理4部分主要階段，4個階段所需時間依次為：8 h、30 min、6 s、30 min，該部分不屬于實(shí)際可用生產(chǎn)時間。因此，4個階段所需時間應(yīng)扣除，最終獲取的實(shí)際可用生產(chǎn)時間為7 h；

(4)若熱沖壓智能生產(chǎn)線每天工作流程可重復(fù)2次，在此基礎(chǔ)上將每個月的實(shí)際作業(yè)天數(shù)設(shè)定為25 d，此時的月產(chǎn)能=單班產(chǎn)能×開班數(shù)×有效作業(yè)天數(shù)=142×2×25=7 100(件)。

2 工業(yè)機(jī)器人的熱沖壓智能生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)

2.1 熱沖壓智能生產(chǎn)線總體布局

對熱沖壓智能生產(chǎn)線進(jìn)行總體布局時，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加機(jī)器人安裝橫梁、視覺定位臺、下料滑移平臺以及冷卻系統(tǒng)等設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人在熱沖壓智能生產(chǎn)線中主要負(fù)責(zé)的任務(wù)：將加熱板料從視覺定位臺上加持并擺放至沖壓機(jī)模具上，利用沖壓機(jī)對板料進(jìn)行加熱后，取回工件并轉(zhuǎn)運(yùn)至料筐內(nèi)部碼放整齊。

2.2 熱沖壓智能生產(chǎn)線設(shè)備選型

工業(yè)機(jī)器人選型

本研究對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備選型時，為保證機(jī)器人的穩(wěn)定性以及可靠性，選用鑄造版機(jī)器人作為熱沖壓智能生產(chǎn)線的核心設(shè)備。該工業(yè)機(jī)器人主要由本體、控制柜、示教器等部分共同組成，額定負(fù)載為180 kg、作業(yè)半徑為2.9 m、重復(fù)定位精度為±0.06 mm，可滿足熱沖壓智能生產(chǎn)線的產(chǎn)能需求。將該機(jī)器人應(yīng)用于熱沖壓智能生產(chǎn)線中，有利于提升料斗的生產(chǎn)效率及精細(xì)化水平。

視覺定位系統(tǒng)選型

該系統(tǒng)具有定位功能，在熱沖壓智能生產(chǎn)線中主要負(fù)責(zé)對板料進(jìn)行加熱，板料加熱完畢后，將板料的所屬位置信息發(fā)送至工業(yè)機(jī)器人信號接收處，由機(jī)器人利用自身視覺定位功能，完成對板料的搬運(yùn)。本研究對視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行選型時，選擇2D型號的系統(tǒng)，該型號的視覺定位系統(tǒng)的定位精度高達(dá)±0.5 mm，可將熱沖壓智能生產(chǎn)線的生產(chǎn)誤差降至最低。對視覺攝像頭進(jìn)行安裝時，可通過固定支架將其安裝于視覺定位臺的上方，將視覺攝像頭的防護(hù)等級設(shè)置為IP67，并配置輔助光源，有利于保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

沖壓機(jī)選型

沖壓機(jī)在熱沖壓智能生產(chǎn)線中主要負(fù)責(zé)對板料進(jìn)行熱沖壓成型，使其成為可實(shí)際運(yùn)用的工件。對沖壓機(jī)進(jìn)行型號選擇時，沿用原有的設(shè)備，其主要目的是節(jié)省熱沖壓智能生產(chǎn)線的整體費(fèi)用。為保證沖壓機(jī)的穩(wěn)定工作，采用PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備通信接口，可實(shí)現(xiàn)各程序之間的通信功能。

感應(yīng)加熱爐選型

在熱沖壓智能生產(chǎn)線中，感應(yīng)加熱爐可實(shí)現(xiàn)加熱板料以及控制板料溫度的功能。為最大限度地解決生產(chǎn)成本，感應(yīng)加熱爐可按照生產(chǎn)節(jié)拍對板料進(jìn)行輸出。對感應(yīng)加熱爐進(jìn)行選型時，主要由專機(jī)廠家進(jìn)行定制，使其具備通信接口。

3 工業(yè)機(jī)器人的熱沖壓智能生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)過程

3.1 6R工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型建立

本研究主要利用運(yùn)動學(xué)模型建立的方式實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的輸送軌跡設(shè)計(jì)，對6R型工業(yè)機(jī)器人的模型進(jìn)行建立時，將該模型分為6個獨(dú)立的動力源驅(qū)動。6R實(shí)際上指的是6個轉(zhuǎn)動自由度，6R工業(yè)機(jī)器人D-H坐標(biāo)系模型如圖2所示。

圖2 6R工業(yè)機(jī)器人D-H坐標(biāo)系模型Fig. 2 D-H coordinate system model of 6R industrial robot

為保證6R型工業(yè)機(jī)器人的手部末端具有變換功能，利用運(yùn)動學(xué)方程對手部末端的變換軌跡進(jìn)行計(jì)算，其公式：

=()()()()()()

式中：為連桿坐標(biāo)系6。

運(yùn)動學(xué)方程中，右邊各因子分別表示當(dāng)前坐標(biāo)系相對于上一級坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，其公式為：

=Rot(,)Trans(0,0,)Trans(,0,0)Rot(,)

式中：為坐標(biāo)系相對于坐標(biāo)系-1的變換矩陣；前3列為旋轉(zhuǎn)變換，后一列為平移變換；Rot為旋轉(zhuǎn)矩陣；Trans為平移矩陣；為第關(guān)節(jié)的角位移；、、為對應(yīng)機(jī)器人的連桿參數(shù)。

對6R型工業(yè)機(jī)器人的末端位置進(jìn)行計(jì)算時，首先應(yīng)確定6個關(guān)節(jié)角變量，并利用矩陣乘法，即可對位移的末端位置進(jìn)行確定。

3.2 運(yùn)動型逆解求解

在末端目標(biāo)位置已知的情況下，對6R型工業(yè)機(jī)器人所需的關(guān)節(jié)變量值進(jìn)行求解。求解過程中，首先應(yīng)對6R型工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動過程中逆解的對應(yīng)值進(jìn)行計(jì)算，該方式有利于使6R型工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置及姿態(tài)達(dá)到實(shí)際運(yùn)行要求。

3.3 6R工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃

對該機(jī)器人的軌跡進(jìn)行規(guī)劃時，主要包括2種方法：

(1)關(guān)節(jié)空間規(guī)劃。該方法對6R型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃時，利用關(guān)節(jié)角度函數(shù)對機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行描述，該方式可有效避免關(guān)節(jié)速度出現(xiàn)失控；

(2)笛卡爾坐標(biāo)空間規(guī)劃。該方法主要包括直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)2種方法。

基于此，本研究采用關(guān)節(jié)空間規(guī)劃對機(jī)器人的軌跡進(jìn)行規(guī)劃。機(jī)器人長時間處于不平穩(wěn)的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動，可造成機(jī)械部件出現(xiàn)不可逆的磨損。為保證機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行，采用6個初始條件對5次多項(xiàng)式進(jìn)行確定，并對機(jī)器人的軌跡進(jìn)行擬合，其公式：

()=+++++

式中：為運(yùn)動時間；(=0,1,2,3,4,5)為待定系數(shù)。

對軌跡規(guī)劃實(shí)施過程中，應(yīng)利用逆運(yùn)動學(xué)方法將目標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，其公式：

由此可知，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中，為提高機(jī)器人的平穩(wěn)性、快速性，應(yīng)避免工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)關(guān)節(jié)速度失控、因減速運(yùn)動導(dǎo)致耗時增加、機(jī)械損傷等問題，并減少機(jī)器人瓶頸關(guān)節(jié)的運(yùn)動量。

4 結(jié)語

為緩解因作業(yè)環(huán)境過于惡劣而制約制造業(yè)發(fā)展的問題，本研究利用機(jī)器人技術(shù)，將熱沖壓生產(chǎn)線智能化發(fā)展，可有效降低工作人員的勞動強(qiáng)度，推動制造業(yè)生產(chǎn)方式的全面革新。通過對熱沖壓智能生產(chǎn)線的運(yùn)行情況進(jìn)行分析可知，該生產(chǎn)線可達(dá)到預(yù)期效果，在原有的生產(chǎn)效率上可提升400%，并且極大地改善了作業(yè)環(huán)境，使工作人員從高溫環(huán)境中得到解放。將該機(jī)器人應(yīng)用于熱沖壓智能生產(chǎn)線中，對于制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。