基于工业机器人上下料的多工位机加工生产线设计研究

张海城

摘要：按照零件加工工艺与生产节拍要求，设计智能生产线，主要包括加工中心、机器人、第七轴、输送线和打磨工件。机器人主要应用在机加工上下料与打磨。在生产线设计中应用总线对设计难度加以简化，实现自动加工，符合生产节拍与质量要求，提升经济效益。

关键词：工业机器人;上下料;多工位

引言

本文以工艺机器人上下料多工位机加工生产线设计为研究对象，对加工节拍进行分析，设计生产线多工位结构，对系统设计中所应用的双目视觉测量技术、图像处理技术进行简要概括，提出控制系统设计方案，为相关企业生产线设计提供参考。

1加工节拍分析

零件铸造和热处理之后，通过输送线把零件传输至生产线，需在CNC进行零件数控加工后通过机器人对零件的表面进行打磨。工件生产流程为：应用机器人取件，将待加工零件放置在上料位置、机床关门、加工、开门、取料，对零件表面进行打磨处理等。经过加工测算，在CNC中零件加工需花费184s，完成打磨工序需消耗21s，机器人上下料和打磨处理共需消耗56s，所以，一部机器人可以满足3台CNC加工需求，加工生产节拍如表一所示：

2生产线多工位结构设计

2.1生产线布局

生产线由加工中心（3台）、打磨设备、机器人（1台）、第七轴、上下料输送线、防护栏等组成。对生产场地与节拍因素进行综合考虑。

2.2设备选型和网络结构

在生产线设计中机器人选择ABB IRB-2006机器人，腕部负载约20kg，臂展1.65m，配置控制柜，为能够游侠提升机床利用效率，为机器人配置双工位的夹具，在取料同时实现上料，机床选择VMC650L，机器人第七轴和打磨工位均为自建。设备间通信应用以太网、I/O连接与PROFINET总线[1]。

2.3第七轴

为提升机器人工作范围，能够进行不同工位上下料，生产线给机器人配置第七轴。第七轴工作原理为机器人对伺服电机的运行加以控制，让啮合齿轮借助齿条传动运动，驱动机器人移动。对于精度要求比较高场合，能够选择精度较高的滚珠丝杠、配备第七轴等方式，第七轴选择高精度齿轮齿条，安装软限位、机械限位和急停限位。第七轴运行精度能够达到±0.5mm，符合零件加工需求。另外，第七轴选用PROFINET总线实现通信，该通信方式能够减少机器人和PLC拓展模块，驱动器状态的数据经过总线传输至上位机，用于生产的后期维护、改造和扩展。生产线中PLC选用西门子S7-1200，伺服选用V90PN。伺服和PLC都支持总线。ABB机器人需安装支持总线通信的板卡[3]。机器人经总线把所需位置、速度数据传输至PLC，PLC把计算后速度信号、方位信号以及定位所需脉冲信号传输至驱动器，驱动器进行定位把移动性到位信号、位置数据反馈至PLC，同时PLC把信号反馈至机器人。

2.4机器人

生产线中机器人的任务主要包括取毛坯零件、上下料、打磨处理工位上下料、打磨零件、零件下料。机器人需进行零件搬运与打磨处理零件，为提升生产效率，机器人配置快换头。母头安装于夹具与打磨头上，公头安装与机器人的法兰端。快换头需要保证夹具所需压缩空气正常供应，并要确保夹具信号回传和打磨头电力供应。该生产线机器人应用气流通道6组、信号通道8组快换头。完成零件加工后机器人回归至零点，若输送线传感器件检测有料，则机器人执行取料动作，之后向CNC上料。任意一部CNC完成加工并给去取料请求信号，机器人便将当前零件取出并使用夹具进行上料工作。随后机器人把加工完成零件夹在打磨工位，工具更换后开始打磨，打磨处理结束后把零件放在输送线。

3技术应用

3.1双目视觉测量技术

双目视觉是模拟人类和双眼视觉线感知距离，感知三维信息，以三角测量技术为技术，借助两部摄像机由不同位置成像，通过视觉差取得距离信息。该系统可以实现零件的自动定位，精准识别零件姿态信息和位置信息。该系统的工作原理为将两部摄像机左右平行并列放置。为便于测量与计算，应当选择相同型号相机。相机的焦距为f，光轴间距B。进行测量时对摄像机的安装位置进行调整，确保成像平面MR、ML在相同平面，并保证相机光轴平行。将相机投影中心OL做坐标原点，相机光轴和像平面相交在CR、CL点。对于该系统的应用需要对坐标系平移、旋转标定，清除畸变，提升测量精度。该技术获取测量对象图像，需要首先标定摄像机，保证测量数据准确性。本文应用张正友标定，过程简单、成本低、准确率高、鲁棒性好，属于常用标定方式。标定摄像机主要目的为借助标定试验取得相机系统内外参数，确保图像分析过程中通过图像信息准确极端零件实际位姿和位置。该系统包括四个坐标系，为便于将图像坐标转变为世界坐标进行求解，将世界坐标系： OwXwYwZw、摄像;机坐标系： OwXwYwZw、图像坐标系：oxy和计算机图像;坐标系：ouv。

3.2图像处理技术

需要对摄像机所获取图像数据进行进一步的处理，包含图像特征的提取、匹配图像立体、重建空间点，获取测量对象位姿数据和空间位置，之后传输至机器人，对机器人的运行进行控制。该系统设计中所英语的软件为WT-VS1.0，借助相机实时图像进行视觉定位，通过视觉匹配技术引导机器人进行物体的抓取。软件功能包括储存图像目标物特征和载入特征，搜索图像目标物，设置图像参数，例如比配阈值，处理和限制图像二值化，监测显示鼠标坐标系、标定机器人的坐标系、机器人坐标以及标校图像像素，配置通信参数，向机器人传输目标物体坐标，显示软件的运行情况。当系统处于运行状态，机器人的控制系统向视觉系统传输拍照信号，处理器进行识别，并对工件相对上料托盘X、Y位置、偏移角度进行计算，把测量数据传输至机器人。处理软件应用Matlab实现标准参数，对摄像机的对比度、快门、亮度等参数进行自动调节，并对机器人直角坐标系位置进行显示。视觉处理应进行图像算法参数设置、练习目标图像、二值化和搜索目标。在练习目标图像，程序载入储存目标特征，以此在图像内搜索和模板相似物体。该软件提供两种比配算法，通过相机单帧图像，已有图像作为采集模板。首先载入目标对象凸显，使用鼠标获取搜索目标，系统自动提取图像特征、保存图像、顶点坐标和特征。用户不需要选择阈值，软件应用二值化方式进行阈值的选取，对比二值化。

4控制系统

该生产线中PLC选择西门子1214C DC/DC/DC，PLC设置以太网接口。PLC对机器人的第七轴、数控机床、打磨机构、机器人进行控制。對上位机、HMI控制信号进行接收。应用PLC对第七轴移动进行控制，并对第七轴零点信号、限位信号进行控制。PLC向CNC传输请求信号，例如松开夹具、夹紧夹具等信号，如表二所示：

PLC和机器人间通过总线通信，PLC将指令传输至机器人，例如打磨请求，机器人把当前请求信号、状态传输至PLC，机器人和PLC之间进行信号的传输。

总结

综上所述，按照零件实际加工生产节拍与生产环境，构建由第七轴、机器人、数控中心和打磨工位组成的生产线，通过调试与试生产，系统稳定运行，实现预期目标和效率，在实际生产中良好运行。在生产线内通过总线技术降低机器人、PLC端模块数量，建设机器人第七轴，有效节约成本，对生产线加以简化。ABB机器人属于支持总线所设置的板块，例如选择出厂总线机器人搭建简化工作，实现经济性。

参考文献

[1]申耀武.机床上下料工装设计中工业机器人的应用研究[J].南方农机，2019，50（08）：2-3.

[2]吴斌.基于工业机器人的智能制造生产线设计[J].机床与液压，2020，48（23）：55-59.