密封工件自动上下料生产线设计与实现

摘 要：信息化与工业化的不断融合推动了智能制造的发展，其中以“机器人+数控机床”组成的柔性制造单元更是目前制造领域应用的热点之一。针对企业提出的密封工件自动化上下料的生产需求，设计开发了一条由注塑机、油温机、振动盘、切边机、RB08型号机器人等设备组成的智能生产线。该生产线融合了制造执行系统、传感器技术、PLC控制技术和工业互联网技术等各类新技术，在满足产品质量要求和生产节拍基础上实现了密封工件全自动上下料加工，协助企业实现了密封工件的大批量、自动化、高效率生产。

关键词：RB08工业机器人;数控机床;自动上下料

0    引言

国家政策的支持与工业结构调整，推动了现代新技术与制造业的深度融合。工业机器人配合高端数控机床组成的智能生产线属于智能制造领域的典型应用，并广泛应用于工业领域的零部件生产中[1]。在众多智能产线应用中，自动化上下料生产线的柔性加工由于能代替人工完成重复、繁重的上下料加工作业，且系统具有稳定性、灵活性和高效性等优势而备受各类企业的青睐。下面主要结合具体的生产线案例进行具体说明，该产线引入广州数控研发生产的RB08型号工业机器人，并与其他相关设备组合，实现某密封工件加工过程中的自动取料、上料、下料、装夹、零件移位和翻转等，有效缩短了密封工件生产过程中的加工准备和辅助时间。另外，本文所述自动化智能生产线除了适应本密封工件的加工外，还可以适应大多数零件的加工，具有强大的柔性功能。

1    密封工件加工工艺流程分析

工艺流程分析是智能生产线整体设计的基础，需要结合本密封工件的加工精度和相关技术要求进行分析，从而制订出详细的加工工艺流程。该企业原有密封工件的生产是人工将工件插入注塑机，完成注塑后再人工取出工件至切水口装置上，不仅生产效率低，且人工操作具有一定的安全风险，为此对该工件原生产模式进行自动化改造。本改造需要借助一台机器人、外夹工件等实现自动化上下料，同时要求工作站相对独立，工业机器人与注塑机、切边机及工装夹具等进行联网组线，PLC进行控制检测和系统调度，形成加工过程无人值守、整体布局简洁实用、便于操作和维护、具有安全防护功能的生产中心[2]。

本产线的主要设计目的是通过引入机器人代替人工完成密封工件的自动上下料作业，实现密封工件高质量、高效率的批量化生产。生产线涉及的主要设备有注塑机、油温机、振动盘、切边机、RB08型号机器人等，具体的工作流程步骤如下：

步骤1，检测设备无异常后，机器人上料至注塑机;

步骤2，注塑机进行密封工件注塑加工;

步骤3，注塑机完成工件的注塑作业后，机器人抓手抓取工件至切水口装置上方，切水口完成;

步骤4，机器人下料至振动盘，振动盘自动上料至切边机，完成切边机的切边作业;

步骤5，切边机切边完成后，机器人下料至下料框;

步骤6，当下料框堆满后，机器人暂停作业，人工推走下料框，并换上新的下料框。

2    智能上下料生产线的整体布局设计

2.1    密封工件自动上下料智能产线的需求分析

在进行本智能上下料生产线的整体布局设计前，需要对企业的生产车间进行实地调研，并结合企业的未来发展规划，完成对密封工件自动上下料生产线的需求分析，具体如下：

（1）该智能生产线需要满足多规格、多型号的型材上下料生产，突出生产柔性与灵活性，满足企业不同产品加工需求。

（2）基于工业机器人的自动上下料工艺流程，在连续自动上下料的过程中，各工位的各项功能能够在控制系统控制下实现自行调节，同时确保自动上下料动作精准迅速，与工位生产节拍一致。

（3）密封工件智能生产线的整体布局设计需要结合该企业现有资源、厂房布局和未来发展规划开展，设计的产线除了满足本密封工件的生产技术要求外，还要预留改善的空间，方便日后进行产线新功能添加，提高生产线环境适应能力。

2.2    生產线整体布局

借助数字孪生技术和计算机辅助工艺，本生产线以上述工作流程为基础，以“设计—工艺—制造调试”为布局思路，经过不断地优化设计，最终确定的智能生产线的整体布局如图1所示。

密封工件加工是将直径为52 mm的SPCC铁件按照图样要求加工成成品工件，工件正反面成品图如图2所示。

根据项目加工工艺要求，需要完成取骨架—入模具—注塑成型—取出产品—剪水口—切唇等不同工序，加工过程中需要在注塑机、切边机和油温机等不同设备之间转换。因此，本设计方案需要由一台RB08型号机器人、一台注塑机、一台油温机、振动盘、一台切边机等构成，同时引入制造执行系统MES、PLC、工业互联网实现智能制造。

根据工件、手爪重量和设备布局情况，初步选用RB08机器人作为该密封工件自动上下料生产线的机器人。GSK-RB系列工业机器人在我国国产机器人中具有一定代表性，为广州数控自主研发和生产，目前主要用于数控机床的上下料、搬运、焊接、喷漆等生产作业。

RB08机器人（图3）主要由机器人本体、控制柜和示教盒三部分组成，属于六自由度机器人，其中机器人本体为机械执行机构，末端含有结合工件的形状、尺寸等特点设计的气动手爪，实现对工件的夹持，本生产线采用双工位的手爪设计，外夹工件。机器人控制柜包括机器人控制器、伺服驱动单元等装置，属于机器人的控制中枢，机器人自带I/O与外围设备进行信号交接。示教盒属于人机交互接口，操作者通过示教器可以编制多种应用程序，对机器人进行示教、编程、系统设置，满足产品更新换代及增加新产品的要求。

除了机器人外，本生产线还包括一些其他重要设备：（1）振动盘，起理料作用，末端需定制定位机构，实现工件末端定位;（2）切水口装备，机器人夹持工件位于装置上方，剪切水口;（3）安全围栏，机器人工作区域安装防护围栏，采用优质网格焊接，表面烤黄色警戒漆，全围栏上设有安全锁，当安全锁打开，工人进入机器人工作区时，自动化单元会立即停止工作，保证人员安全。

3    自动化上下料生产线控制系统设计与调试

本产线以自动上下料为背景，以制造执行系统MES为核心，建立智能制造管控系统。制造执行系统具有强大的数据采集引擎功能，通过分析密封工件加工工艺、各设备位置、环境等数据类型，整合数据采集渠道（RFID、PLC、CNC、PC）等，实现对整个车间各个制造环节的数据覆盖，实现对基础数据的采集、数据逻辑模型的构建、车间实时异常检测数据的获取，保证生产线现场数据的实时、准确、全面采集[3]。

PLC的主动控制是MES控制系统的核心之一。在进行智能产线控制系统设计时，首先需要结合生产线的工艺流程要求进行PLC模块的扩展，正确编写和调试PLC组态通信应用程序，正确配置I/O，完成权限控制、质量控制、流程控制和报警显示;其次对HMI的寄存器、变量等数据进行正确分配，完成HMI工控组态和PLC编程，实现与RB08机器人、注塑机、油温机、切边机等相关设备的信号连接和通信调试;最后进行MES系统与RB08机器人、注塑机、油温机、切边机等设备参数配置，实现数据的采集和信号连接，最终达到可视化管理的目的。

4    结语

近年来，制造业中产品更新换代频繁，进行产品定制和个性化设计越来越重要。智能自动化生产线具备装配灵活、安全高效等优势，因而成为当前动态市场的最佳选择。本文就是基于企业的生产个性化需求，在深入剖析某企业密封工件加工工艺后，结合工业机器人应用技术进行的智能产线开发设计，能满足加工过程的自动上下料作業、检测以及产品加工信息共享等要求，加速实现跨行业和跨企业的分布式制造。

[参考文献]

[1] 申晓龙.数控加工技术[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[2] 叶寒，付望，张军，等.制动器壳体类零件的自动化生产线设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016（3）：115-119.

[3] 欧阳劲松，刘丹，杜晓辉.制造的数字化网络化智能化的思考与建议[J].中国仪器仪表，2018（4）：28-36.

收稿日期：2021-09-02

作者简介：吕会安（1964—），男，陕西宝鸡人，机械工程师，研究方向：智能生产线设计及应用。