機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)在重型汽車(chē)生產(chǎn)的應(yīng)用

　　汽車(chē)橋箱類(lèi)零件具有精度高、加工工序多、形狀復(fù)雜、重量重的特點(diǎn)，為提高其加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家紛紛采用數(shù)控加工中心來(lái)加工此類(lèi)零部件。而在使用數(shù)控加工中心加工工件時(shí)，要求工件在工作臺(tái)上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。

　　由於人工上料此類(lèi)的工件具有勞動(dòng)強(qiáng)度高、上料精度不好控制等缺點(diǎn)，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機(jī)器人或?qū)�機(jī)進(jìn)行上下料所取代。

　　工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動(dòng)化程度高等突出的優(yōu)勢(shì)：與人工相比，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；與專(zhuān)機(jī)相比，具有可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化，投資規(guī)模小等特點(diǎn)。

　　機(jī)器人智能化自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)作為減速器殼體加工的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，雖然已經(jīng)在國(guó)內(nèi)重型汽車(chē)廠(chǎng)內(nèi)取得成功的應(yīng)用，但依然尚未普及。在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，重型載重汽車(chē)的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個(gè)質(zhì)的飛躍，而工業(yè)機(jī)器人即是提升生產(chǎn)力水平的強(qiáng)力推進(jìn)器。

機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)布局
　　圖1所示為機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布局。該系統(tǒng)包括1臺(tái)FANUC R-2000iB/165F機(jī)器人，1個(gè)機(jī)器人手爪，1個(gè)長(zhǎng)11m的行走軸，2臺(tái)上下料滑臺(tái)，F(xiàn)ANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC iR Vision 3DL視覺(jué)系統(tǒng)，5臺(tái)抽檢滑臺(tái)，電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用1臺(tái)機(jī)器人完成服務(wù)5臺(tái)機(jī)床進(jìn)行上下料的作業(yè)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布局

　　在此系統(tǒng)中，1臺(tái)FANUC R-2000iB/165F機(jī)器人被安裝於行走軸上，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的上下料動(dòng)作。基於機(jī)器人專(zhuān)用手爪單元開(kāi)發(fā)的手爪，非常適用於工件一致性較差的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩(wěn)定性。

　　在長(zhǎng)度為11m的行走軸導(dǎo)軌上安裝一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，最大運(yùn)動(dòng)速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠等特點(diǎn)。此外，還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了防塵罩，保護(hù)導(dǎo)軌、直線(xiàn)軸承以及齒條等運(yùn)動(dòng)部件，有效提高了可靠性和使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)軌安裝於兩條生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)床的中心線(xiàn)上，所安裝的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍完全覆蓋5臺(tái)機(jī)床以及上下料滑臺(tái)區(qū)域。從而實(shí)現(xiàn)了1臺(tái)機(jī)器人服務(wù)5臺(tái)機(jī)床進(jìn)行上下料作業(yè)。

　　2臺(tái)上下料滑臺(tái)，每個(gè)上面有4個(gè)托盤(pán)，每個(gè)托盤(pán)分別可以存放一個(gè)工件。以實(shí)現(xiàn)待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統(tǒng)中，由於使用了視覺(jué)技術(shù)，因此上下料滑臺(tái)無(wú)需工件的定位裝置。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統(tǒng)由一個(gè)安裝於手爪上的2D攝像頭完成視覺(jué)數(shù)據(jù)采集。該視覺(jué)系統(tǒng)作為待加工工件準(zhǔn)確抓取的定位方式，省去通常為滿(mǎn)足機(jī)器人的準(zhǔn)確抓取而必須采用的機(jī)械預(yù)定位夾具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品混合生產(chǎn)。

　　而FANUC iR Vision 3DL視覺(jué)系統(tǒng)由一個(gè)安裝於地面上的3D Laser Sensor完成視覺(jué)數(shù)據(jù)采集。該視覺(jué)系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問(wèn)題。由於待加工工件為毛坯件，機(jī)器人抓取工件後，上料的定位孔位置會(huì)發(fā)生變化，甚至工件上料時(shí)的平面度也有變化。該技術(shù)可以自動(dòng)補(bǔ)償位置變化，實(shí)現(xiàn)高精度上料。

　　5臺(tái)抽檢滑臺(tái)分別針對(duì)一臺(tái)機(jī)床，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對(duì)該機(jī)床加工工件質(zhì)量的檢測(cè)。

　　電氣控制系統(tǒng)運(yùn)用人機(jī)界面對(duì)整個(gè)機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護(hù)性。安全設(shè)備采用門(mén)開(kāi)關(guān)作為機(jī)器人工作區(qū)域的安全防護(hù)，完全做到人機(jī)隔離，確保系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行中的人員安全。

　　該套設(shè)備的應(yīng)用極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動(dòng)化水平，減少了企業(yè)的勞動(dòng)力成本支出，提高了產(chǎn)品的巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)流程如圖2所示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)流程圖

　　2D視覺(jué)技術(shù)：無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運(yùn)

　　機(jī)器人對(duì)無(wú)定位工件的自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)定位工件的準(zhǔn)確位置判斷，在機(jī)器人收到信號(hào)後，機(jī)器人裝上為工件定制的專(zhuān)用手爪可靠的抓取工件，在與機(jī)床進(jìn)行通訊得到上料請(qǐng)求後，最終完成機(jī)床的上下料。在各種機(jī)械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

　　使用機(jī)器人對(duì)無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)可以使生產(chǎn)流水線(xiàn)更加簡(jiǎn)單易於維護(hù)，并大幅度降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全文明，并且無(wú)污染，能在各種機(jī)械加工場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用，滿(mǎn)足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統(tǒng)主要是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)軟件設(shè)置，建立視覺(jué)畫(huà)面上的點(diǎn)位與機(jī)器人位置相對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)工件進(jìn)行視覺(jué)成像，與已標(biāo)定的工件進(jìn)行比較，得出偏差值，即機(jī)器人抓放位置的補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)抓放。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在無(wú)夾具定位工件情況下的自動(dòng)柔性搬運(yùn)。

　　在該上下料系統(tǒng)中，待加工工件形狀復(fù)雜，用夾具進(jìn)行定位非常復(fù)雜，也不利於以後同類(lèi)新產(chǎn)品的擴(kuò)展。應(yīng)用FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統(tǒng)後，待加工工件只需放置於上下料滑臺(tái)無(wú)定位裝置的托盤(pán)上，實(shí)際情況為待加工工件可以在托盤(pán)上移動(dòng)正負(fù)2厘米以及旋轉(zhuǎn)正負(fù)30度。這樣大大減少了在上下料滑臺(tái)上的設(shè)計(jì)工作，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統(tǒng)的原理是，選一個(gè)待加工工件作為初始工件，通過(guò)2DV視覺(jué)軟件對(duì)該工件在攝像頭中的畫(huà)面點(diǎn)位與機(jī)器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)完成初始工件的特征標(biāo)定。示教完成的抓取程序?yàn)槌跏脊ぜ�初始位置的抓取位置，此時(shí)工件抓取偏差值為零。當(dāng)工件平移或者旋轉(zhuǎn)後，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過(guò)2DV軟件，機(jī)器人能夠計(jì)算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機(jī)器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時(shí)機(jī)器人可以通過(guò)把偏差值[PR]補(bǔ)償?shù)匠跏甲ト∥恢脕?lái)實(shí)現(xiàn)工件的抓取。2DV視覺(jué)系統(tǒng)操作流程如圖3。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 2DV視覺(jué)系統(tǒng)操作流程

　　在該上下料的應(yīng)用中只有一種工件，當(dāng)有多種工件時(shí)，2DV視覺(jué)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工件進(jìn)行多次特征標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)多種工件之間的切換調(diào)用。大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，柔性度高。

　　3D視覺(jué)定位技術(shù)助力機(jī)器人準(zhǔn)確上料

　　3D視覺(jué)定位技術(shù)應(yīng)用於機(jī)器人上料至機(jī)床。攝像頭安裝固定在3DL視覺(jué)支架上。

　　該技術(shù)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問(wèn)題。由於工件為毛坯件，機(jī)器人抓取工件後，上料的定位孔位置會(huì)發(fā)生變化，甚至工件上料時(shí)的平面度也有變化。對(duì)於此，在沒(méi)有3DL視覺(jué)系統(tǒng)的情況下，機(jī)器人是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的準(zhǔn)確上料。

　　其原理是：選一個(gè)毛坯件作為初始工件，通過(guò)3DL視覺(jué)軟件對(duì)該工件在攝像頭中的畫(huà)面點(diǎn)位與機(jī)器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)完成初始工件的特征標(biāo)定。示教完成的上料程序?yàn)槌跏脊ぜ�初始位置的上料位置，此時(shí)工件上料偏差值為零。當(dāng)抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過(guò)3DL軟件，機(jī)器人能夠計(jì)算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機(jī)器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時(shí)機(jī)器人可以通過(guò)把偏差值[PR]補(bǔ)償?shù)匠跏忌狭衔恢脕?lái)實(shí)現(xiàn)工件的上料。

　　2DV是通過(guò)攝像頭計(jì)算平面變化量，3DL是通過(guò)攝像頭和激光綜合計(jì)算空間變化量。實(shí)際上3DL是2DV與激光技術(shù)的綜合應(yīng)用，該技術(shù)大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設(shè)計(jì)時(shí)。

　　軟浮動(dòng)功能：補(bǔ)償機(jī)器人手爪在抓取工件時(shí)產(chǎn)生的位置偏差
　　軟浮動(dòng)功能（Soft Float）應(yīng)用於工件抓取和機(jī)器人機(jī)床上、下料步驟。

　　該項(xiàng)目中，機(jī)器人手爪抓取處?kù)洞�加工工件位置在毛坯面，各個(gè)毛坯件抓取位置與定位孔位置都有差異。毛坯面與定位孔位置的變化會(huì)引起一系列的問(wèn)題，這包括：工件在托盤(pán)內(nèi)，機(jī)器人抓取後，由於毛坯面帶來(lái)的偏差就會(huì)導(dǎo)致工件在手爪抓取時(shí)產(chǎn)生移動(dòng)，偏差大的時(shí)候會(huì)與托盤(pán)之間產(chǎn)生摩擦；機(jī)器人從機(jī)床下料時(shí)，由於毛坯面帶來(lái)的偏差，導(dǎo)致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強(qiáng)硬貼合上，在工件脫離定位銷(xiāo)時(shí)會(huì)有嚴(yán)重的摩擦，導(dǎo)致碰撞報(bào)警。

　　雖然有2DV視覺(jué)補(bǔ)償，但是毛坯面不能作為特征量，導(dǎo)致在機(jī)器人手爪抓取工件的位置在不停的變化，機(jī)器人無(wú)法補(bǔ)償此偏差。

　　當(dāng)開(kāi)啟軟浮動(dòng)功能後，機(jī)器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置。手爪在抓取毛坯件時(shí)可以根據(jù)毛坯面改變姿態(tài)，達(dá)到完全貼合，避免碰撞和摩擦。

　　在該項(xiàng)目中，工件定位孔與機(jī)床定位銷(xiāo)（錐形）之間的配合精度達(dá)到0.01毫米。機(jī)器人本身的重復(fù)精度是大於0.01毫米的，導(dǎo)致工件上料位置偏差。此時(shí)，通過(guò)應(yīng)用軟浮動(dòng)功能，機(jī)器人首先抓取工件運(yùn)行到定位銷(xiāo)錐度部位，由機(jī)床夾具夾緊，機(jī)器人通過(guò)軟浮動(dòng)移動(dòng)至上料位置，從而實(shí)現(xiàn)上料過(guò)程。

　　展望：機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)在重型汽車(chē)生產(chǎn)中應(yīng)用前景可期

　　隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，重型載重運(yùn)輸汽車(chē)的需求在不斷地?cái)U(kuò)大，為滿(mǎn)足巿場(chǎng)的需求，各重型汽車(chē)廠(chǎng)正在不斷地積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，并擴(kuò)大原有產(chǎn)能。使用機(jī)器人服務(wù)加工中心組成柔性加工生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化方式逐步得到廣泛采用，從而在提高生產(chǎn)效率、減少人工成本、保障作業(yè)安全、提高生產(chǎn)品質(zhì)等方面起到了顯著作用。

　　由上文可知，機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)兼具柔性和可靠性較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和便於維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足不同種類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)。對(duì)於重型汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)大產(chǎn)能，同時(shí)大大降低了產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有廣泛的應(yīng)用前景。