机器人拆垛工作站的设计与应用

谢高兰， 陈广文， 白跃品

（1.长沙智能制造研究总院有限公司，长沙 410205；2.中联重科股份有限公司，长沙 410205；3.中煤科工集团上海有限公司，上海 200241）

0 引言

在全球都在推进智能制造、各个行业都在进行产业升级、自动化设备替代人的大背景下，受我国过去人口红利的影响，目前钛锭、铝锭等有色冶炼行业自动化设备互联互通程度不高，主要是依靠单工位自动化设备生产为主，尤其在工件原材料的拆垛上料和成品的码垛下料方面主要依赖人工作业，未做到连线生产。现在人口老龄化严重和人工成本增加等问题，要求企业降本增效和提高产品的竞争力，对产业升级需求日趋强烈[1-8]。

通过对客户现场现状分析、梳理和再造生产流程，本文设计一套钛锭物料机器人拆垛工作站系统，重点研究了工作站的布局和定制的取放执行机构。工作站通过视觉识别系统实现钛锭物料的精确定位，进而通过驱动定制的取放料机构实现钛锭物料的自动抓取、自动搬运、自动放置。同时工作站在系统集成方面实现了炉料仓内链轨移动就位信号和托盘放置就位信号的互联互通，做到与生产线的联动生产，在有色冶炼行业中具备可推广性和复制性，给类似工程项目提供参考。

1 目前现状

目前国内有色冶炼行业熔炼炉在上料方面主要依赖人工作业，熔炼炉前端的钛锭物料的上料现状总结如下：1）现场钛锭物料的规格（长×宽×高）为580 mm×380 mm×200 mm，单块质量约为145 kg；物料搬运主要是通过5 人/班配合，2人在栈板侧先将1块钛锭物料的一头抬起，塞入吊带，然后将钛锭物料的另一头抬起，塞入吊带，再通过1个人利用桥式起重机进行搬运，当物料吊到熔炼炉料仓内链轨移动就位的托盘放置，由2人负责卸载；2）现场实行3班制，每班8 h，配合熔炼炉的24 h连续熔铸生产。人工结合桥式起重机的上料比较耗时，效率不高，而且工人劳动强大；物料摆放比较凌乱，工作环境粉尘比较多，而且热量辐射较大，环境温度较高；物料搬运过程中不可避免会出现物料脱落的情况，而且上料位置靠近人行通道，不时有工作人员通过，存在安全生产隐患。

2 工作站的布局规划

为了实现钛锭物料的自动上料功能，满足客户生产需求，生产车间规划的机器人拆垛工作站布局如图1所示。

图1 机器人拆垛工作站布局图

如图2 所示，机器人拆垛工作站系统由5部分组成：1）机器人平台。包括机器人本体、示教器及机器人控制柜。2）电气控制系统。包括电气控制柜及器件、现场检测器件、视觉识别系统。电气控制柜主要包括电气控制器件、PLC及机器人控制柜。现场检测器件包括安全开关、取放执行机构上的检测限位、测距传感器、接近开关、声光报警器。视觉识别系统包括摄像机及镜头，主要用于确定物料的具体位置。3）取放执行机构。包括定制的专用夹具、气动控制系统，主要通过夹紧和松开两个动作，实现物料的抓取、搬运和放置。4）安全防护装置。包括现场安全防护栏和区域安全传感器。安全防护栏起到物理安全隔离作用，区域安全传感器在工作站运转或紧急停止时可防止机器人臂意外碰触到操作范围以内的设备或操作人员的危险事故发生。5）其他辅助装置。包括机器人底座、安置底座、托盘及辅助工装等组成，主要负责固定机器人和安放物料。

图2 机器人拆垛工作站的组成

3 工作站的工艺流程

目前钛锭机器人拆垛工作站工艺如图3所示。

图3 机器人拆垛工作站工艺图

整个工作流程简述如下：1）人工将装有钛锭物料的托盘转运至指定区域的固定位置，检测确认托盘到位及现场安全后启动机器人拆垛工作站系统。2）在机器人拆垛工作站电气控制系统作用下，机器人将取放执行机构移至物料安放区域并停止，工作站通过取放执行机构上的视觉识别系统和激光测距系统对钛锭物料进行精确定位[9-10]。3）精确定位信息反馈给工作站电控系统，工作站控制系统通过驱动机器人和取放执行机构完成物料自动抓取、自动搬运和自动放置。4）机器人拆垛工作站完成1块钛锭物料的抓取、搬运和放置等动作后回到初始状态并继续下1块钛锭的拆垛。当1整垛钛锭物料拆垛完，工作站系统会通过传感器检测缺料信息，发出声光报警，提示工作人员进行换1垛操作，继续下1垛钛锭物料的拆垛。5）假如机器人拆垛工作站遇到故障停止工作且取放执行机构正处于搬运过程中，则需人工干预，控制机器人将物料放置于故障处理工位上，待排除故障后重新启动工作站即可。

4 取放执行机构的设计

如图4所示，机器人拆垛工作站系统中定制的取放执行机构包含气缸一和活动臂、执行主架和双耳环安装座、测距传感器及其安装板、视觉识别系统护罩、机器人连接件、气缸二和护勾、接近传感器及其安装板、气缸三和插销和视觉识别系统及其安装支架。取放执行机构工作流程总结如下：1）当装满物料的托盘转运至指定区域的固定位置且防护系统确定工作环境安全后，机器人驱动取放执行机构移动至托盘物料安放区域并停止，视觉识别系统确定物料的具体摆放位置，并反馈给电气控制系统，控制系统驱动机器人姿态做出相应调整。2）当机器人驱动取放执行机构接近物料，测距传感器实时反馈距离，到达预设位置后，机器人停止动作，取放执行机构上的气缸一驱动活动臂完成对物料的夹紧，传感器检测确认物料的夹紧状态。当机器人驱动取放执行机构将被夹紧的物料提起一段距离并停止，取放执行机构上的气缸二驱动护勾完成对物料的防坠保护，并通过气缸三驱动插销对护勾进行机械限位锁定。3）当机器人驱动取放执行机构将被夹紧的物料移动至摆放区域并停止，取放执行机构上的气缸三驱动插销解除对护勾的机械限位锁定，气缸二驱动护勾解除对物料的防坠保护，机器人驱动取放执行机构将被夹紧的物料摆放至对应摆放位置并停止，气缸一驱动活动臂完成对物料的释放，至此机器人驱动取放执行机构完成物料的一次全过程抓取、搬运和放置。机器人再次驱动执行装置移动至物料安放区域并停止，继续下一次抓取、搬运和放置任务。

5 实践验证

上述解决方案在某企业进行实践验证，通过跟踪统计机器人拆垛工作站系统12个月的生产数据，分析得出工作站物料搬运良品率在99.99%以上，实现了单班节省4人，单位每年可节省百万元以上的经济效益。机器人拆垛工作站系统现场如图5所示。

6 结语

机器人拆垛工作站是进行有色冶炼行业智能制造改造的重要应用，随着有色冶炼产业的不断升级、降本增效，对机器人拆垛工作站的需求越来越旺盛。机器人拆垛工作站是一种高自动化集成度的系统，它通过视觉识别系统完成物料的自动寻找并准确定位标识物料位置，提高定位精度，并通过机器人驱动定制的取放执行机构完成物料的抓取、搬运和取放，整个过程无需人工干预，实现24 h连续作业生产。

图4 取放执行机构

图5 机器人拆垛工作站现场图