机器人在上下料生产线中的应用分析
欧栋生
摘? 要：随着机器人在自动化生产线中的广泛应用，机器人与可编程控制器之间的信号设置与传输，对生产线正常运行起到至关重要的作用。在机床制造领域，自动上下料机器人发挥着不可替代的重要作用，自动上下料机器人主要实现机床制造过程的完全自动化，系统采用了集成加工技术，适用于生产线的上下料、工件翻转和工件转工等工序。
关键词：机器人;上下料;生产线
中图分类号：TP391? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
1 工业机器人
1.1 工业机器人的类别
按照工业机器人标准的不同，其可以分成很多的类型，通常可以根据下面3个方式来进行分类。1） 根据工业机器人臂部运动方式的不一样划分为圆柱坐标型、关节运动型、直角坐标型、并联机器人以及球坐标类型机器人5种。2）根據工业机器人控制运动机构的机能可以划分成连续轨迹型以及点位型。和点位型的数控机床类似，点位型工业机器人通常用于气割焊接、正常装卸运输以及机床上下料等工作。相对于点位型工业机器人来说，连续轨迹型能够根据指定的程序来进行轨迹作业，例如连续的涂装以及焊接等工作。3）根据工业机器人不同的录入程序形式，又可以分成示教输入型以及程序输入型。编程输入型主要用以太网或RS-232串口把已经编好的工作程序输入进机器人的控制系统中。
1.2 工业机器人的组成结构
工业机器人无论是什么用途，通常组成部分分为控制系统、主体以及驱动系统。1）执行系统作为主体主要由执行机构以及基座组成。执行机构包括了手腕、手臂等，还有一些机器人用于特殊的场景时还会增加行走的功能。一般来说，在执行器的末端位置是小臂，在基座附近是大臂。很多的工业机器人总体运动自由度在3～6个，而在腕部的运动幅度为1～3个。2）工业机器人的驱动体系由传动机构以及动力系统构成，为了将动力输送给执行机构，就需要驱动系统来控制执行多种动作。这个外部设备通常是为了机器人的相关生产特别制造的。3）机器人的控制系统部分一般有控制和检测2个作用，系统会根据设定的程序完成驱动和执行机构的相关动作指令，同时还要检测机构运行中的各项参数是否符合各项驱动的参数要求，并对系统做出合理反馈。
2 工业机器人上下料结构及工作流程分析
工业机器人的上下料操作结构主要由上下料机器人本身、数控机床、PLC控制结构、各类软件及线路构成。
2.1 上下料工业机器人组成分析
工业机器人是机器人上下料机构的主要组成部分，主要包括了机器人本体、控制机构以及末端的执行机构。在型号选择上，上下料机器人一般要根据生产线的实际情况进行选择，例如现场机床的布局规划以及所要加工的产品大小和类型规格。举例说明，当加工对象零件毛坯为圆柱体结构，质量小于1 kg且相邻机床之间的距离小于1.3 m时，进行机床上下料操作时所选择的机器人型号一般为安川MH6机器人。该类型机器人主要采取末端执行机构的方式，气动控制系统进行驱动，同时安装控制系统的电磁阀，装夹机构采取机械式二指单关节手爪。
数控机床在上下料机器人中属于末端的操作机构，零件的加工，加工前后的上下料以及装夹由机器人自动完成。
机器人的控制系统就是PLC控制单元，里面安装有断路器、PLC电路板、电源结构、继电器装置、变压结构等电器元件。PLC的型号通常选择的是欧姆龙公司生产的控制电路单元，主要用来控制上下料机器人的开始与停止、自动运行及输送前进等，上下料的输送机构会将放置着工件毛坯的托盘运送到上料的位置，机器人传送机构再将毛坯运送到数控机床外，放置在机床底盘上，待加工完成后再将零件运到零件的托盘上，机器人随后将零件运送到下料位置，进行组装和包装。
2.2 上下料工作流程
工业机器人上下料的流程主要是从工件毛坯的运送到加工完成的一系列过程。首先，将工件毛坯放入托盘当中，启动机器人上下料机构，它就会将工件毛坯运送到零件上料的位置，随后零件开始在机床上进行加工，完成后机器人会自动操作零件到输送的产线上，实现下料操作，同时将其运到装配的生产线上。其后托盘空置，再次回到上料的位置装上工件毛坯。在上下料机器人运作过程中，托盘上有光电检测传感器，传感器在感应到托盘后，电机就会直接启动，此时输送线就开始准备工作，进行零件上料运送工作，当到达上料位置时，会有阻电磁铁，托盘的传感器此时会感应到托盘位置，此时电机停止，托盘不再输送。机器人此时进行搬运并等待加工完成，感应到机床门打开后，机器人会将零件运出，完成下料操作。机器人再次回到原来托盘位置后，电磁铁会自动通电，此时挡铁回到原来位置，电机重新启动工作，下一条上料输送机构开始运行，重复前道运动，直到全部零件加工完成。
3 自动上下料机器人在曲轴生产线中的运用
该案例的曲轴生产线总线长度为120 m，宽度为18 m，维护人员为6名，在线设备为25台，是一家专业生产汽车曲轴的厂家，曲轴生产线多数由数控车床和专用机床组成，自动线上设备有车床、磨床、滚压机、平衡机、抛光机、清洗机和曲轴系列专机等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、磨削等加工，加上曲轴较重且体积较大，因此需要大量操作人员在现场进行操作。这既是一个自动化改造项目，也是企业实现柔性化单元的标杆性项目，目的是采用自动化的方式节省人工操作，实现大批量自动化加工，以保证产品质量，在节省劳务成本的同时提高生产效率。
因为工件的加工工序较多，数控设备品种不同，工件单一，车间场地有限。因此自动化改造项目的框架设计如下。1）机器人的选型：采用15套重型双头联体桁架式机器人机械手，并与机床进行联动安装。2）送料系统的配置：配备2套带工装输送料道以及在线检测工位、翻转工位、角向定位，在线监控等。在自动上下料操作中，要先将需要运输的零件毛坯放置在托盘内，桁架机械手自动抓取零件到相应位置，但是这样就需要人工辅助。所以该方案中首先要在振动盘内对零件毛坯进行排序，并对其状态进行设定，再设计专门的材料运输通道用机械手送料。如此一来就可以在上料前将杂乱无章的毛坯进行分类，其后使用上料装置将其运送到加工的位置，这样不仅节约了工件的上料和装卸时间，也提高了流程的效率。3）抓手设计制造：根据曲轴零件的形状、重量，独立设计出符合零件外形的气动外夹式的三手指抓手。在该例子中，采用的是重型桁架式机器人机械手，这种机械手最大可以承受3 t的抓取力，手爪的主体结构为钢制结构的横梁，导轨则采用矩形的立体结构，采用齿轮传动的传动方式，并针对性地使用模块化的设计和独立控制方式，配备了紧急情况下使用的安全急停装置，适合于大型设备和重载的场合使用，采用机器人替代人工上下料，实现了大批量自动化加工，提高了企业经济效益和盈利水平，提升了参与国际竞争的能力。
3 结语
总而言之，机器人在自动上下料的运用，可以通过模块化的设计方式，并对各种功能进行组合，使多台机床联动，同时实现快速上下料和换料，切实实现加工制造的一体化及自动化，节省了大量人力操作成本，同时可以通过修改加工程序的方式来实现多种上下料装夹的方式，更有利于快速生产，不断推动生产企业的自动化水平的提高。
参考文献
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