工业机器人自动化生产线布局设计与优化策略

朱文良

摘要：因为工业机器人工作效率高，可以适应极端环境，而且具有可编程优势，能应用于重复劳动需求量大、危险的作业环境当中。工业生产中，可利用工业机器人完成焊接、喷涂、搬运等工作。生产环境零件拾取同样也可以用工业机器人完成，不但效率高，而且安全性能够得到保证。在生产线布局过程，可以根据生产流程需求，对于工业机器人应用展开合理设计，优化生产流程。下文以自动生产线取件系统中工业机器人的布局设计为例，对生产线布局方案和优化策略进行分析。

关键词：工业机器人;自动化生产线;布局设计;优化策略

引言：部分工业制造产品具有小批量和多批次特点，特别是钛合金的热形成零件制作，国内大多利用人工方式进行取件。借助仿真技术，对于工业机器人在该领域中的应用进行分析，能够根据自动生产线布局要求，优化设计机器人工位设计，解决生产线当中机器人数量过多产生干涉的问题，还能优化生产线设计。

一、自动生产线工业机器人布局要求分析

在传统的工业生产线当中，取件系统是按照经验对于工业机器人进行选型，并完成工位布局。设计过程，利用实时算法，忽略碰撞情况，获得布局方案。实际应用过程，碰撞问题时有发生。考虑以往设计通常将侧重点放在机器人之间、机器人生产设备之间的干涉，并未将末端执行器、生产零件、机器人三者之间的关系考虑其中。生产线优化布局，应将取件消耗时间作为基础，完成工业机器人设计与布局，并对其运行轨迹进行优化。如果没有考虑机器人在抓取过程，零件尺寸对于生产线布局、机器人行走轨迹产生的影响，就会影响生产效率。实际上，在工业生产线上，机器人碰撞、抓取零件尺寸均与设计布局有关，也和轨迹优化存在直接关联。由于传统生产线设计方法忽略了机器人、执行器、零件三者之间碰撞问题，所以，难以对其抓取零件的最大化尺寸展开优化。鉴于此，本研究从以上布局缺陷角度出发，选择钛合金热形成自动化生产线的取件系统作为对象，利用仿真软件、计算软件完成建模，进行碰撞检测与可视化分析，设计出机器人自动取件系统，优化工业生产线布局。该生产线生产零件的尺寸为1.5m×3.5m，单独零件质量在50kg之以内，要求工位机器人抓取时间间隔在120s以内，末端的抓取精度误差2mm内，生产线设备适应性良好，能够和各类型号热成型机相适应，满足大曲率的零件抓取需求[1]。

二、自动生产线工业机器人布局方案

（一）末端执行器

末端執行器通过真空吸盘夹取装置连接，装置具有柔性化特征，可应用于钛合金零件的热形成领域。因为生产工况环境高温，需要使用末端执行器进行夹取。工业机器人在自动生产线中的应用，应该保证其荷载发挥到极致，同时，还需控制取件环节碰撞问题的发生，保证夹取装置和工业机器人的法兰盘距离最小。

（二）流程设计

在自动化生产线当中，工业机器人取件流程是根据零件规格大小、取件方法等完成流程设计。小型零件厚度0.5～1.0mm，长宽0.4m×0.3 m，质量介于0～8kg间，曲率在0.1之内;中型零件厚度0.5～2.0mm，长宽0.4m×0.3 m～2.6m×1.2m，质量介于8～30kg间，曲率在0.15之内;大型零件厚度0.5～3.0mm，长宽2.6m×1.2m～3.5×1.5m，质量介于30～50kg间，曲率在0.1之内。取件方法有两种，一是正面取件，二是侧面取件。正面取件主要用于中小型的零件，先将其抬起，之后围绕第1轴，将零件旋转90°，置于零件台。利用侧方取件，可先将零件抬高300mm，之后向外平移，围绕第5轴进行旋转180°，之后置于零件台。

（三）选择机器人

工业机器人的选型应该重点考虑执行器的质量（G）、零件质量（D）、机器人荷载（P）三方面内容，还需要将执行器重心到机器人轴距（X）考虑其中。具体设计过程，因为机器人夹具的零件相对较大，所以，当其远离底座的时候，也应该具备较高荷载，X也是工业机器人选型重要限定条件。按照（C+D）·X≤0.5P公式进行计算，利用软件验证。按照零件尺寸、取件方法对于工业机器人的臂长进行选择，并计算机器人能够达到最远距离，结合荷载选择型号，确定自动生产线布局。小、中型件选择正面取件方式，分别选择KR90 R2700和KR220 R3100型机器人，大型件选择侧方区间方式，选择KR210 R3100型机器人[2]。

三、自动生产线工业机器人布局优化策略

生产线的优化布局利用仿真实验完成，将机器人模型向仿真系统当中导入，并为其添加运动副，对机器人从1轴到6轴的运动进行定义，之后导入执行器模型，建立执行器工具坐标。机器人的第6轴法兰绑定工具法兰，并在工具上设立中心点，按照生产系统布局布置物料台、零件台等。向中心点来添加运动轨迹，完成机器人运行线路方针，展开碰撞检测。如果发生碰撞，可能会出现红色区域，此时需要对规划路线进行优化与调整，之后重新仿真实验，通过验证后，优化机器人的运动轨迹，对其工位动作节奏进行调节，提高生产线的生产效率。

结束语：通过上文对于机器人、末端执行器、生产零件之间的碰撞问题展开分析，从而建立差异化的取件流程。在自动化生产线当中，应明确工业机器人尺寸、零件质量和大小之间产生的约束关系，利用系统完成碰撞检测，快速寻找适合自动生产线工业机器人使用的布局方案，实现工业生产领域零件的自动化取件，优化生产环境，提高生产效率。

参考文献：

[1]黄卓.工业机器人自动化生产线布局设计与优化[D].广东工业大学，2016.

[2]杨波.加工中心改造工业机器人自动化生产线的研究与设计[J].报刊荟萃：下， 2018（4）：1.