KUKA机器人在气缸柔性生产单元的应用设计*

崔业军

(无锡科技职业学院智能制造学院，江苏 无锡 214028)

0 引 言

制造业是实体经济的基础，实体经济是中国发展的本钱，是构筑未来发展战略优势的重要支撑。以汽车制造业为例，焊装生产线、夹具、机器人、输送设备、组装线、涂装线、发动机与轮胎生产装备上，气动技术无所不在，大显身手[1]。气缸作为一款智能制造的执行元件，其操作的精度直接影响产品的质量和其应用的广度。

快速响应市场，对于气缸生产环节来说，必须推陈出新。个性化、多工艺的气缸生产线是当前亟需解决的一个课题，智能化改造已是迫在眉睫。充分分析了气缸各零部件的生产工艺，运用现代柔性生产技术，提出一种适应气缸成套零部件生产的柔性生产线，运用机器人实现物料的进出[2]，满足客户定制化的需求，给气缸行业产能、技术等方面赋能，带来气动行业的技术革新，推动气动行业高质量发展。

1 气缸生产单元的布置与工艺流程

1.1 气缸生产单元的布置

以某企业生产的某一类型气缸为例，气缸组成中需要机加工的零部件的按工艺分主要有[3]：以车削为主的钢筒、端盖、活塞及活塞杆等；以铣削为主的连接件、支撑件以及辅助件等。在这些气缸零部件加工中，有时兼顾多种机床工艺，诸如活塞杆的扁式铣削、端盖的钻削、中间支撑件的车削等。需要根据零件工艺流程，灵活掌握加工方法。因此，柔性生产技术作为智能制造技术的基础应用，非常适合气缸零部件的生产加工。

经过对气缸零部件工艺流程规划设计，组建了如图1所示的某系列气缸柔性生产单元。从该柔性制造单元的组成来看，主要分为无人作业区和操作人员作业区[4]两大部分组成。

图1 某系列气缸柔性生产线布局图

(1) 无人作业区

MES控制系统[5](包括计算机、PLC控制系统、辅助设计计算机)；1台KUKA机器人；1台KDVM600L加工中心、1台VHC850A加工中心、1台Brother钻削加工中心；1台Viva T2B/350数控车床、1台CA6146型数控车床、1台CLASSIC型三坐标测量仪、1台零部件清洗机以及铸件毛坯立体仓库及活塞旋转仓库等组成。

(2) 操作人员作业区

该区域包括工件装卸站、活塞毛坯库以及刀具预调站等，操作人员工作时间段可以在该区域工作。

1.2 柔性生产工艺流程

首先，系统上电启动(生产设备已按零件工艺要求准备就绪)，接下来在MES系统中编制零部件工艺生产任务，启动MES系统。KUKA工业机器人接到MES系统搬运任务，首先通过RFID进行工件毛坯位置信息扫描，确认毛坯所在仓储位置。同时根据机床工艺信息，将零件根据上位机主控系统的指令(根据工件的工艺等信息)，选择对应的末端执行器搬运零件毛坯，并放置在对应的设备单元内进行任务实施,等加工任务完成后,由搬运机器人将工件搬运回对应仓储。这样一个过程为机器人完成零件某一工序的上、下料过程。MES系统可以协调机器人进行多任务的切换，满足最高效率的生产需求。

2 机器人产线应用技术分析

2.1 机器人性能分析

气缸柔性生产线采用了KR120R2900extra型KUKA机器人。该机器人可实现空间六自由度运动以及第7轴轨道行走功能，载重120 kg，重复定位精度为±0.06mm，空间工作范围可达2900mm，可与PLC及MES实现以太网通讯。其控制系统采用的KRL编程语言，是一种类似C语言的文本型语言，由.SRC和.DAT 格式组成。其中.SRC储存程序逻辑、指令、动作之类；.DAT储存位置变量以及轨迹点位的参数[6]。

2.2 机器人末端执行器选择

KUKA机器人在执行系统任务运行时，针对不同工艺要求的零部件，采用的末端执行器也不一样。如图2所示，气缸典型零部件结构特征。

其中，图2(a)所示为活塞类零部件，其主要结构特征为回转体。当用机器人进行机床上、下料时，需要类似V型口的夹爪类末端执行器[7]；图2(b)所示为支撑类零部件，其毛坯主要采用铸件形式，结构简单，易用固定支架形式装夹毛坯，机器人搬运时，采用支架小夹爪形式末端执行器；图2(c)所示为异形类零部件，需要设计专用托盘夹具装夹。在实际使用时，考虑到托盘的重量和零部件的重量，利用零点定位夹具[8]实现托盘与机器人法兰端直接连接，达到此类零部件的机床上、下料的需要。

图2 气缸典型零部件结构特征

2.3 配置机器人末端执行器选择I/O

依据柔性生产单元的零部件结构特征，确定了KUKA机器人执行任务时，需要三种不同执行器。即零点定位快换夹具、回转体类大夹爪以及支撑类铸件小夹爪。为了KUKA机器人灵活切换末端执行器，需在KUKA机器人上配置相应的I/O。

I/O的信号配置如表1，在KUKA机器人输入信号端，主要判别机器人当前末端执行器类别；输出端主要用来进行执行器的安装与拆卸。

表1 I/O信号参数及其含义

3 机器人编程设计

3.1 程序设计流程图

依据气缸柔性制造系统工艺流程，建立了机器人进行零件工序任务调度的程序设计流程，如图3所示。

3.2 变量确定

由图3所示的机器人程序设计流程图，设立了程序中使用的变量，如表2所列。

表2 变量参数及其含义

续表2 变量参数及其含义

图3 机器人程序设计流程图

3.3 产线工序任务调度程序设计

通过应用KUKA机器人的KRL语言，设计了气缸柔性生产线零件加工任务调度的机器人程序，实现了气缸柔性生产线智能化搬运与装卸的工艺要求[9]。其程序如下：

INI;初始行,程序正确运行所需的标准参数的调用;

PTP home Vel= 100 % PDAT4;机器人回原点

R20=R5;MES系统将R5参数赋值给R20，进行任务是否开始判断

R10=0;清空机器人末端执行器

IF $IN[14] AND $IN[15]==TRUE THEN;

如果机器人感应传感器采集到末端执行器小夹爪(电极夹具)和大夹爪(圆柱体毛坯)

GOTO LBL500;跳至程序结束，停止运行(有故障)

ENDIF;

IF $IN[14]==TRUE THEN;MES系统发给机器人执行电极夹具末端执行器

R10=1;机器人已加载末端执行器(小)

ENDIF;循环结束

IF $IN[15]==TRUE THEN;MES系统发给机器人电极夹具末端执行器信号

R10=2;机器人已加载末端执行器(大)

ENDIF;循环结束

r1=0;初始化定义任务

r2=0;初始化定义执行对象(料)号

r3=0;初始化定义料架好

r4=0;初始化定义设备号

OUT 4‘qi kai guan’ State=FALSE;清洗机关门

OUT 6‘IR_ExBewegAktiv_A006’ State=FALSE;清洗机开关

OUT 18││State=FALSE;机器人末端执行器气阀打开

OUT 19││State=FALSE;设备夹具座松开

OUT 20 ││State=FALSE;关闭自动状态

OUT 25 ││State=FALSE;车床尾座退回

OUT 26││State=FALSE;

LOOP;

R15=0;机器人处于任务待机中

Wait For (R20<>R5);R5参数与初始赋值比较，等待中

R20=R5;重新将MES刷新后将R5参数赋值给R20

(1)模拟招聘比赛。该比赛主要依托我校的跨专业综合实验区，如图1所示。该实验区由对抗区、公共服务区、外贸区、采购区、自主学习区、路演区等部分组成，能够很好的满足模拟招聘比赛的需要。比赛经历简历初选、模拟面试、企业嘉宾面试共三个环节。具体的，参赛人员准备个人简历上交，根据简历筛选出50名参赛人员；参赛人员抽签随机分为5组；分组完成后，每一组内进行抽签，决定面试官与应聘者角色(两个面试官，八个面试人员)；进行模拟招聘时，评委进行观摩并分别为面试双方打分；最后，由企业嘉宾担任面试官，进行面试活动，学生观摩。

R11=R1;采集MES信息，赋值机器人执行任务

R12=R2;采集MES信息，赋值机器人当前执行对象

(料)号

R13=R3;采集MES信息，赋值机器人料架位置

R14=R4;采集MES信息，赋值机器人去往设备

R30=0;准备开始任务安全位置清零

R31=0;完成指令清零

R111=0;

SWITCH R11;根据R11赋值，跳到与CASE指令中的值相同的程序分支执行

CASE 1;1-扫描任务

SM( );呼叫扫描程序

GOTO LBL100;

CASE 33-仓库取料

CANGKU_TAKE( );呼叫仓库取件程序

GOTO LBL100

CASE 5设备放料

SWAPC( );子程序：设备放料加工

GOTO LBL100

CASE 6仓库回料

CANGKU_PUT( );子程序：加工完成返回仓库

GOTO LBL100

CASE 7车床掉头加工换料

TURN_SWAPC( );子程序：掉头换料

GOTO LBL100

CASE 99无任务

home( );子程序：机器人回原点

GOTO LBL500跳至程序结束

END SWITCH分支编程循环结束

LBL100:

R30=1;机器人任务动作完成

R31=1;可接受指令

END LOOP主程序循环结束

LBL500:程序结束

4 生产验证

在某企业气缸柔性生产单元上，运行KR120R2900extra型KUKA机器人工序任务调度程序，且对企业近半年的气缸“订单式”生产进行调研跟踪，得出了以下的生产初步结论。

(1) 相比传统的单品种批量化生产，现有的智能化生产，实现加工高柔性、高自动化。可快速更换产品品种，减少因市场销售产生的积压库存，实现订单式的快速生产，迎合市场个性化客户的需求。

(2) 从半年的生产数据统计结果显示，采用了该KR120R2900extra型KUKA机器人工序任务调度，助力气缸柔性生产。一方面，生产成本有效降低了近37%，这主要体现在人工成本、辅助生产效率等方面；另一方面，灵活快速应对多品种、变批量混流加工，满足企业应对个性批量化要求， 大大提高了企业快速应对客户的效率，稳定了产品的应用市场。

(3) 在柔性生产线的试运行初期，对技术人员的岗位能力要求较高。技术人员不仅要在应用机器人编程与操作方面的技术能力好，还要求相关技术人员掌握相关工艺设备的工艺流程。

5 结 语

通过使用KR120R2900extra型KUKA机器人，运用KRL编程语言进行产线任务的程序设计与应用，有效实施了气缸柔性生产线毛坯工位扫描、仓库取料、设备放料、车床掉头换料、仓库回料等工作任务。实践验证表明：该程序结构简单，运行效果良好，加工效率提升，产品质量稳定。随着气缸产业化进一步推进，运用机器人实现新技术、新工艺、新模式的产业制造观念转变，促进气缸行业的智能生产。未来将在更多加工领域实现少人化、柔性化、智能化加工[10]，将更快、更好地促进整个加工制造业转型升级，为保证国家产业经济安全发展、实施制造强国、智能制造新模式推进做出更大的贡献。