机器人自动上下料在汽车行李架加工中的应用

郭 超

（秦皇岛威卡威汽车零部件有限公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

汽车行李架是安装在汽车车顶上的支架，用于携带大件物品，如自行车、大件行李、帐篷等，增加了爱车的承载空间，成为越来越多的车主喜欢选装的部件[1]。行李架的材质多为铝合金材料，有着较高的强度和硬度，在机加工成型的工序中，需要工人不断重复单一的上下料操作进行生产，劳动强度大，消耗大量的人力成本，生产效率低。汽车行李架图如图1所示。

图1 汽车行李架图

机器人技术是机械、电子、自动控制、人工智能等多学科领域知识交叉和融合的一门新兴交叉学科[2]。近年来，工业机器人的技术水平持续提升，其凭借操作灵活、占地面积小、精度高和成本低等优势，被广泛应用在汽车制造、电子工业等领域[3]。汽车行李架机加工工序采用PLC+HMI 架构设计，进行程序逻辑控制，采集传感器的输入，控制伺服、气缸等执行机构的输出，通过工业机器人模拟工人的上下料动作，可实现行李架的自动抓取、搬运、下料码垛操作，将员工从重复和单一的工作中解放出来，有效降低了员工的劳动强度，改善了员工的作业环境，可提高企业生产效率，为促进工厂的智能化和自动化发挥了重要作用[4]。

1 机器人自动上下料工艺流程

工艺流程图如图2 所示。1）将待加工的零件集中放在上料传送带的隔断内，伺服系统通过以太网连接PLC，按照人机界面上预先设定的参数配方，以位置控制模式带动传送带向机器人方向转动。2）当传送带终端的红外测距传感器检测到零件时，尼龙材质的符形块托起零件，利用零件本身的重力作用，在垂直方向对零件进行位置校正，安装弹簧缓冲机构的气缸侧推工作，在水平方向对零件进行二次定位校正，3D 激光传感器对零件侧面进行轮廓扫描，判断零件是否上错、放反，保证上料位置一致性，提高机器人自动上下料装置的稳定性。3）PLC 通过射频识别技术读取机器人夹具上面的电子标签，采集工装产品信息，转换成数字产品代码后，通过网络将代码发送给机器人，用来自动调用机器人的运动轨迹任务，当传感器检测零件合格时，上料单元启动机器人。4）机器人将待加工的零件放置在加工设备的上料位置，取走已加工完成的零件，同时启动设备工作，按照码垛程序的控制算法，将零件有序地放入下料小车对应位置。5）MES 系统对PLC 进行数据采集和信号连接，利用智能算法进行生产、设备、质量数据分析，并自动生成表格和图形，以便进行可视化管理[5]。

图2 工艺流程图

为提高设备利用率，机器人自动上下料装置设计三个功能。1）抽检不停机功能。由于下料车被安全护网围在内部，质检员在护网外部接触不到零件，若进入护网内部取件，需要设备停机，以保护人员安全，但会降低设备生产效率。抽检功能只需要员工触发抽检按钮，机器人自动将加工完成的零件放在下料传送带上，传出防护网外。2）换车不停机功能。当下料车码垛装满时，蜂鸣器报警，设备继续进行生产，机器人自动切换下料轨迹，将零件放在下料传送带上，换车完成后，员工触发启动按钮，机器人自动切换到下料车码垛轨迹。3）机器人一键复位功能。当设备出现故障停机时，若机器人没有停在待机起始位置，以往需要员工手动操作示教器来复位机器人，步骤繁琐，对员工技能要求高，一键复位功能可以通过按住复位按钮，机器人自动调用复位程序，判断停止位置，规划复位轨迹，回到待机位置，操作简单方便。

2 整体系统设计

机器人自动上下料装置分为主体设备和产品工装两部分，通过更换产品工装，主体设备可以实现对不同规格零件的加工，以此适应市场上产品多样化和个性化的需求。主体设备由工业机器人、上料单元、下料单元、电控系统四部分组成，设备实际效果图如图3所示。

图3 设备实际效果图

2.1 工业机器人选型

工业机器人在自动上下料装置中的主要应用为搬运和码垛操作，选型的依据和重点是动作范围、有效负载和重复定位精度。IRB 4600-40/2.55 是ABB公司开发的高效通用型机器人，装配性能优异的IRBP 变位机和IRBT 轨迹运动系统，增强了机器人对目标应用的适应能力，纤巧的机身使其在避绕障碍物时，可以保持最高加速度，循环周期时间短。IRB 4600的规格参数如表1 所示。

表1 IRB 4600的规格参数

2.2 上料单元设计

上料单元设计采用储料式传送带的形式，集中供料，可以满足50 件待加工零件的同时摆放，皮带上的横条用于隔断相邻的两个零件，便于零件的分离操作，皮带支架固定在花轴上，通过轴承在花轴上的移动，调节两侧支架的间隔，使上料单元可以兼容长度在1.8 m～2.8 m 范围内的零件，利用传送带两侧的导向板，对移动的零件进行左右方向校正，降低人工零件摆放的位置精度要求。下料传送带固定在上料单元的上方，用于抽检和换车下料，上下料在一侧的设计，可以有效减少员工的频繁走动，下料传送带的皮带电机为220 V 调速电机，通过旋转调速旋钮可以控制皮带转速，防止速度过快，导致成品件堆放，造成零件表面磕碰划伤。

2.3 下料单元设计

下料单元由下料小车和小车固定机构两部分组成，由于不同型号的汽车行李架形状相似，所以下料小车设计成通用形式，即不同型号的行李架共用一种下料车，可以降低产品的生产成本。小车的车身结构是方钢焊接成型，结构简单，牢固耐用，使用耐磨的布料包裹车身，防止小车运输零件时产生划伤。小车固定机构具有导向、定位和锁死功能，利用电容式传感器检测下料小车的摆放位置，保证每次换车操作后，下料车位置的一致性。

2.4 电控系统设计

选用罗克韦尔1769-L30ERM 型号的CPU 作为电控系统的PLC，进行程序控制、信号采集、数据处理和故障诊断；选用罗克韦尔2711P-T6C21D8S 型号的触摸屏作为人机界面，用于设定伺服参数、手动操作HMI 上的虚拟按钮、显示设备报警[6]；选用易福门AC1421 型号的以太网IP 网关配置AS-i 从站，控制分布式I/O，与行李架加工设备进行通信，采集传感器输入，控制电机和气缸等执行器机构输出；选用罗克韦尔Kinetix350 型号的单轴驱动器控制伺服电机工作，驱动器与电机间用两根电机线相连接，红色的电机线提供电源，绿色的电机线传递电机编码器信号，PLC 执行MAM 控制命令，使伺服电机按设定的绝对位置转动，每当上料传送带旋转一周时，伺服电机的位置值自动归零，防止出现累计误差；选用易福门ANT513 型号的RFID 读写头，识别机器人夹具上的E80371 型号的RFID 标签，标签里写有当前工装的ID 信息，PLC 将其与切换工装时选择的产品信息做比较，以验证当前工装是否配方选择错误，同时将产品代码传送给机器人，机器人利用TEST 语法结构来选择当前产品对应的上下料程序[7]；利用MES系统对PLC 进行设备产量、运行时间、异常报警等数据采集，通过智能算法的逻辑计算，转换成可视的图形和报表，进行监控和管理[8]。开通ABB 机器人EtherNet/IP 通信协议，将机器人的EDS 文件通过Studio5000 软件导入PLC 中，使PLC 与机器人建立硬件组态，实现32 个字节长度的以太网通信；开通ABB 机器人DeviceNet 协议，使用DSQC652 型号信号板连接机器人夹具I/O 信号，控制真空吸盘和气缸夹爪动作。硬件网络图如图4所示。

图4 硬件网络图

2.5 工装夹具设计

通用型工装夹具可靠性低，夹持精度不高，影响行李架上料稳定性，所以将上料传送带的定位机构和机器人夹具设计成专用型工装，不同型号的行李架需要开发对应形状和尺寸的工装[9]。定位机构有零件分离、位置校正、轮廓检测功能，是通过水平和垂直方向的气缸运动，以及3D 激光轮廓传感器检测来实现的。机器人夹具结构简单，使用定位销和螺丝与机器人六轴法兰相连接，降低工装硬件成本，夹具的执行机构由真空吸盘和气爪组成，利用真空发生器产生真空压力，将行李架吸附在夹具上，利用气爪运动，锁紧行李架位置[10]。

3 机器人程序开发

3.1 机器人轨迹仿真

机器人仿真图如图5 所示。机器人程序开发有手动示教和离线仿真两种方式，手动示教是在现场环境，手持示教器操作机器人移动，记录轨迹位置、编写逻辑；离线仿真是在软件里建模，模拟机器人工作，编写动作程序。机器人自动上下料装置利用ABB 公司开发的RobotStudio 软件对其进行离线仿真[11]。1）创建一个空的工作站，在模型库中选择IRB 4600-40/2.55 机器人模型，并将其导入工作站中。2）选择“从布局”方式创建机器人系统，设置机器人的RobotWare 的版本，配置系统参数，如添加840-1 EtherNet/IP Anybus Adapter、608-1 World Zones、617-1 FlexPendant Interface 等功能。3）将SolidWorks 软件设计的上下料主体设备和产品数模，以stp 格式几何体导入系统中，按照设计布局，摆放各装置的位置。4）定义工具数据，将机器人夹具的质量和重心位置等参数保存在tooldata 中，定义负荷数据，将行李架质量和重心保存在loaddata 中，分别在上料传送带、加工设备和下料小车三个位置定义工件坐标，保存在wobjdata 中。5）将机器人运动曲线生成轨迹指令，配置轴参数，仿真运行机器人的上下料操作，检测机器人是否发生碰撞[12]。

图5 机器人仿真图

3.2 机器人一键复位程序开发

现场异常触发机器人故障停机，需要设备具有一键复位功能，快速恢复正常生产。创建初始化程序rinit()，并添加在主程序main()中，删除中断连接，将中断字符int_Home 和中断程序Return_to_home 相关联，将输入信号Home_Button 与中断字符int_Home相关联，当按住Home_Button 按钮时，触发中断程序执行。机器人停止移动，获取机器人当前位置，并保存到变量P_Home 中，清除真空吸盘工作指令，清除气爪工作指令，机器人放下夹具中的零件，在x方向以直线运动指令移动-100 距离，在y方向和z方向保持不变，用于安全避让，然后回到Home 位置，机器人停止。机器人自动复位程序图如图6所示。

图6 机器人自动复位程序图

4 结语

利用上料单元对加工零件进行存储、传送、分离、定位、检测，IRB4600 工业机器人抓取和搬运零件进行上下料操作，在下料单元进行有序的码垛操作，完成成品存储，设计出一种用于汽车行李架加工的机器人自动上下料装置。通过RobotStudio 软件对机器人动作进行虚拟仿真，简化开发和设计流程，通过机器人一键复位功能，降低设备操作复杂度。采用工业机器人替代工人进行上下料操作，车间生产状态从一人操作一台设备变成一人操作多台设备，可降低人力成本，提高生产效率，为增强企业竞争力提供了可靠支持。