柔性生产线机器人组装单元设计研究

陈清

摘 要：在科学技术创新发展的驱动下，柔性生产线已经成为企业实现可持续发展的重要手段。柔性生产线属于多单元组合系统，由供料单元、加工单元、输送单元、组装单元等多模块构成。本文从设计需求、基础结构、工作原理、机器人结构、机器人运动控制等方面入手，就柔性生产线机器人组装单元设计进行了简要分析，以推动机器人在柔性生产线中的运用，保证柔性生产线组装单元安全运行。

关键词：柔性生产线;机器人;组装单元;系统设计

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0013-03

Abstract： Driven by the development of science and technology innovation， flexible production line has become an important means for enterprises to achieve sustainable development. Flexible production line is a multi unit combination system， which is composed of feeding unit， processing unit， conveying unit， assembly unit and other modules. From the aspects of design requirements， infrastructure， working principle， robot structure and robot motion control， this paper briefly analyzed the design of robot assembly unit in flexible production line， so as to promote the application of robot in flexible production line and ensure the safe operation of assembly unit in flexible production line.

Keywords： flexible production line;robot;assembly unit;system design

柔性生产线通常由自动加工系统、信息控制系统、软件系统、物流系统等构成，具有设备利用率高、生产能力稳定、运行灵活安全、生产制造质量高、应变能力强、动作准确率高等优势。目前，其已成为制造业实现可持续发展的重要手段。在柔性生产线中，机器人组装单元是基础单元，也是重点单元，其运行与控制能直接影响柔性生产线工件装配质量和效率，且关系着成品生产质量。因此，有必要加强柔性生产线机器人组装单元设计，提升智能水平，充分发挥其在企业现代化建设与创新发展中的积极作用，更好地助力中国制造。

1 柔性生产线机器人组装单元的设计需求分析

基于机器人的柔性生产线自动化水平较高，属于综合型智能生产系统。通常情况下，可将柔性生产线分为供料单元、传动单元、加工单元、组装单元、仓储单元等多个模块，实现工件出料、加工、分拣、搬运、装配、存储等一体化全自动操作。其运行流程主要为：供料单元将生产所用工件置于料仓中，当传感器检测到料仓中的工件后，顶料气缸按照系统设定顶住供料并将其推出至出料台，当出料台检测到工件之后，顶料气缸发起缩回运动，出料台上的工件在传动带驱动下运行至加工单元，完成对工件的加工处理，加工完毕后，经机械手臂抓取进入分拣单元，检测合格的工件由机器人跟踪运输兵搬运至装配单元，机器人根据工件信息完成工件装配，不合格工件则由机器人搬运至废物回收处，等待后续处理[1]。装配完成后，工件送至仓库存储。在整个过程中对机器人控制具有严格要求，为达到柔性生产线机器人控制要求，确保柔性生产线运行安全、稳定与可靠，在设计机器人组装单元时，控制系统需要具备工件识别、坐标测量、机器人运动控制等功能，保证机器人能准确识别工件位置、工件盒子位置;准确抓取工件、工件盒子盖子;将工件精准放置到组装位进行组装操作;成品抓取、摆放;组装完成后回归原位，做好后续组装准备。

2 柔性生产线机器人组装单元基本结构与工作原理分析

根据柔性生产线工作流程可知，机器人组装单元的工作过程具体为“盒子工位识别—工件盒有效抓取—组装位确定—工件盒准确放置—工件分拣跟踪—合格工件抓取—工件放置组装位—盒盖抓取—组装位盖好盒子盖子—成品抓取—成品放置仓储位—机械手臂回归原位”[2]。根据机器人组装单元设计要求，并结合机械手臂工作内容，本研究设计机器人组装单元共由两部分构成。一是上料部分，主要由气缸、传感器、料仓等构成。在实践运行过程中，料库能将工件盒与工件盖推送至取料台，取料台配有传感装置，可检测工位是否存在工件盒或盖，如工位为空位，推料气缸将从料库中推送工件盒或盖。二是组装部分，主要由气缸、传感器、组装台、坐标测量系统等构成。在实践运行过程中，机器人运行到取料台上方后，抓取料台上的工件盒或盖，并将其搬运到装配台上;工件跟踪传感器被触发之后，机器人将运行至工件分拣跟踪抓取等待位置，将工件搬运至装配台工件盒对应位置;机器人夹起工件盖将其盖到工件盒上，完成工件组装，并将成品搬运至仓库进行存储后回到初始位置。

3 柔性生产线组装单元机器人结构设计

基于机器人研发能力的不断提升，机器人已经被广泛运用于工业生产制造各环节中，如工件搬运、工件分拣、工件组装、工件檢测、工件装卸等。在本研究中，考虑到机器人任务需求，确定机器人的结构形式为“机械手臂”，其工作范围超过550 mm，在电子制造领域、机械制造领域、医疗制造领域等柔性生产线中均具有较强适应性与实用性。

3.1 机械手臂的动力源设计

在柔性生产线机器人组装单元中，机械手臂的正常工作需要强有力的动力源支持。目前，在柔性生产线中，電气动力源、气压动力源、液压动力源、机械动力源是较为常见的机器人动力源。对比分析各种动力源输出动力、响应性、动作速度、控制能力（见表1）可知，液压动力源较为符合柔性生产线机器人组装单元设计需求。因此，本研究将机器手臂驱动方式确定为液压驱动。为保证整体结构的美观性，动力元件置于机械手臂内部。因此，在动力元件选择上，不仅需要考虑其输出转矩，而且需要考虑其尺寸大小、质量轻重。

3.2 机械手臂手部结构设计

通常情况下，机械手臂由两部分构成，即机械手与机械臂，而机械手又可分为机械大臂、机械小臂、机械腕等多个部分。具体需要根据各部分操作要求进行设计。既有研究发现，工业生产中，机器人所夹取工件多为圆柱体工件，而“V”形结构的手爪能最大限度地抓紧工件。与此同时，“V”形手爪适用于多种类型工件。因此，以“V”形手爪为本次机械手臂手爪类型。在机械手设计过程中，要求其能准确完成抓、放动作。因此，需要根据抓放工件属性，分析机械手负载重量，完成强度、刚度、夹取范围等参数设置。通常情况下，要求机械手的夹紧力是所夹取工件的22～25倍，具体数据需要结合机械手爪大小、作用点等信息进行计算确定。以机械手对工件的夹紧力为例，首先需要对柔线生产线组装单元运行情况与设计要求有全面了解，确定安全系数[k1]值、机械手爪工况情况系数[k2]值、方位系数[k3]值以及工件所受重力[G]，并根据公式（1）计算夹紧力（[FN]）：

[FN=k1×k2×k3×G]                       （1）

一般而言，[k1]值在1.2～2.0，[k2]值可根据工件搬运时重力方向的最大上升加速度、重力加速度等进行评估，[k3]值则根据手爪形状以及夹持工件进行估算。假设工件质量为70 kg，[k1]值取1.2，[k2]值取1.08，[k3]值取4，重力加速度为9.8 m/s2，带入公式（1）则[FN]=1.2×1.08×4×70×9.8=3 556 N。

3.3 机械手臂臂部结构设计

在机械手臂臂部结构设计时，腕部设计最为重要。腕部位于机械手臂与手部连接处，其性能的好坏直接决定机器人的运动功能。因此，在进行腕部设计时，需要严格遵循以下几点：①结构紧凑，即位于腕部的驱动装置、执行装置应密切关联;②结构质量轻，即腕部结构空间有限，且涉及的装置较多，故需要充分考虑各装置质量，以轻、小为主;③密封性强，即在保证腕部结构灵活的同时，做好密封工作，增强机器人运行安全水平;⑤环境适应性强，即机械手腕的回转运动、摆动运动应适应柔性生产组装单元工作环境[3]。

4 柔性生产线组装单元机器人运动控制

4.1 运动控制方式设计

机器人运动控制方式众多，需要根据具体要求进行选择。在柔性生产线组装单元，机器人对搬运、夹取要求较高，可通过点位或连续轨迹等方式控制。而控制设计中，PLC为核心所在，做好其选型工作至关重要。随着近年来对PLC研究的不断深入，其已经从数字逻辑控制发展为集过程控制、运动控制、数据控制等功能于一体的装置，性能得到大幅度提升。目前，PLC种类较多，如何合理选择PLC成为柔性生产线机器人组装单元设计的重点问题之一。对比分析三菱PLC、汇川PLC、通用PLC、西门子PLC等，发现三菱PLC在柔性生产线机器人组装单元控制系统中具有较为理想的应用效果，不仅能满足系统对PLC功能、性能的需求，而且能降低制造成本，获取更好的经济效益。因此，本研究选用三菱PLC为控制系统核心单元。在进行机器人组装单元电气控制系统设计时，根据PLC控制要求，确定输入信号三种，包括启动信号、停止信号以及复位信号;输出信号四种，分别为控制信号、报警信号、脉冲输出信号以及开关量输出信号;检测信号若干。

4.2 运动控制方案设计

机器人运动控制是本次设计关注的重点问题，运动控制的有效性直接关系机器人组装单元运行的安全性与稳定性。根据机器人工作过程可知，在系统启动之后，机器人的机械手臂运动轨迹为“原位（0）—抓取盒子（1）—组装（2）—抓取工件（3）—组装（2）—抓取盖子（4）—组装（2）—成品放置（5）—原位（0）”[4]。根据机器人抓放需求，设计运动控制系统时，选用混合式六线高性能步进电动机（如BS57HB56-03）与等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器（如Q2HB68MC）。BS57HB56-03步进电动机，额定功率为150 W，额定电压在12～40 V，保持力矩达到0.9 N·m，可有效满足机器人在X轴上的运动。三洋企业生产的Q2HB68MC步进驱动器在六线或八线二相混合式步进电机中具有较强实用性，能满足步进电机各种场合控制需求，其驱动电流在0.5～6 A。BS57HB56-03步进电动机与Q2HB68MC步进驱动器以及PLC控制信号的连接方式如图1所示。

5 结语

机器人组装单元是柔性生产线的重要组成部分，对系统控制具有较高要求。本文根据机器人组装单元设计需求，结合柔性生产线运行特征，设计了一种基于PLC控制的机器人组装单元控制系统，有效满足工件装配各模块运行与控制要求，确保了机械手臂运动精准、到位。

参考文献：

[1]王元生，朱璟，王其松.机器人制造单元自动装卸控制系统设计[J].机床与液压，2020（15）：62-65，71.

[2]李有兵，林勇.柔性生产线智能控制系统设计[J].机电工程技术，2018（12）：102-105，208.

[3]白蕾，张小洁，侯伟.基于工业机器人的智能生产线设计与开发[J].工业仪表与自动化装置，2018（3）：69-72.

[4]任永杰，尹仕斌，邾继贵.面向现代柔性制造的工业机器人高精度控制方法[J].航空制造技术，2018（5）：16-21.