機器人自動柔性搬運系統(tǒng)在重型汽車生產(chǎn)的應用

　　汽車橋箱類零件具有精度高、加工工序多、形狀復雜、重量重的特點，為提高其加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車生產(chǎn)廠家紛紛采用數(shù)控加工中心來加工此類零部件。而在使用數(shù)控加工中心加工工件時，要求工件在工作臺上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。

　　由於人工上料此類的工件具有勞動強度高、上料精度不好控制等缺點，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機器人或專機進行上下料所取代。

　　工業(yè)機器人具有重復定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動化程度高等突出的優(yōu)勢：與人工相比，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量；與專機相比，具有可實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化，投資規(guī)模小等特點。

　　機器人智能化自動搬運系統(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)在國內重型汽車廠內取得成功的應用，但依然尚未普及。在國家經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的進程中，重型載重汽車的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個質的飛躍，而工業(yè)機器人即是提升生產(chǎn)力水平的強力推進器。

機器人自動柔性搬運系統(tǒng)布局
　　圖1所示為機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的現(xiàn)場布局。該系統(tǒng)包括1臺FANUC R-2000iB/165F機器人，1個機器人手爪，1個長11m的行走軸，2臺上下料滑臺，F(xiàn)ANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)，5臺抽檢滑臺，電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用1臺機器人完成服務5臺機床進行上下料的作業(yè)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的現(xiàn)場布局

　　在此系統(tǒng)中，1臺FANUC R-2000iB/165F機器人被安裝於行走軸上，能夠實現(xiàn)整個系統(tǒng)的上下料動作�；�於機器人專用手爪單元開發(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。

　　在長度為11m的行走軸導軌上安裝一臺工業(yè)機器人，最大運動速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機驅動，具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩(wěn)、可靠等特點。此外，還專門設計了防塵罩，保護導軌、直線軸承以及齒條等運動部件，有效提高了可靠性和使用壽命。在實際應用中，導軌安裝於兩條生產(chǎn)線機床的中心線上，所安裝的工業(yè)機器人運動范圍完全覆蓋5臺機床以及上下料滑臺區(qū)域。從而實現(xiàn)了1臺機器人服務5臺機床進行上下料作業(yè)。

　　2臺上下料滑臺，每個上面有4個托盤，每個托盤分別可以存放一個工件。以實現(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，由於使用了視覺技術，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。

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

　　而FANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)由一個安裝於地面上的3D Laser Sensor完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由於待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件後，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。該技術可以自動補償位置變化，實現(xiàn)高精度上料。

　　5臺抽檢滑臺分別針對一臺機床，以實現(xiàn)隨時對該機床加工工件質量的檢測。

　　電氣控制系統(tǒng)運用人機界面對整個機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)系統(tǒng)中實時和非實時數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。安全設備采用門開關作為機器人工作區(qū)域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統(tǒng)在自動運行中的人員安全。

　　該套設備的應用極大地提高了產(chǎn)品的質量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動化水平，減少了企業(yè)的勞動力成本支出，提高了產(chǎn)品的巿場競爭力。系統(tǒng)流程如圖2所示。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 機器人自動柔性搬運系統(tǒng)流程圖

　　2D視覺技術：無夾具定位工件的自動柔性搬運

　　機器人對無定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統(tǒng)）實現(xiàn)對無定位工件的準確位置判斷，在機器人收到信號後，機器人裝上為工件定制的專用手爪可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上料請求後，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應用廣泛。

　　使用機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)可以使生產(chǎn)流水線更加簡單易於維護，并大幅度降低工人的勞動強度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結構簡單，安全文明，并且無污染，能在各種機械加工場合進行應用，滿足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)主要是通過視覺系統(tǒng)軟件設置，建立視覺畫面上的點位與機器人位置相對應關系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值，實現(xiàn)機器人自動抓放。該技術實現(xiàn)了機器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運。

　　在該上下料系統(tǒng)中，待加工工件形狀復雜，用夾具進行定位非常復雜，也不利於以後同類新產(chǎn)品的擴展。應用FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)後，待加工工件只需放置於上下料滑臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負2厘米以及旋轉正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設計工作，保證了系統(tǒng)的擴展功能。

　　FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)的原理是，選一個待加工工件作為初始工件，通過2DV視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時工件抓取偏差值為零。當工件平移或者旋轉後，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過2DV軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時機器人可以通過把偏差值[PR]補償?shù)匠跏甲ト∥恢脕韺崿F(xiàn)工件的抓取。2DV視覺系統(tǒng)操作流程如圖3。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 2DV視覺系統(tǒng)操作流程

　　在該上下料的應用中只有一種工件，當有多種工件時，2DV視覺系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工件進行多次特征標定，實現(xiàn)多種工件之間的切換調用。大大提高了系統(tǒng)的可擴展性，柔性度高。

　　3D視覺定位技術助力機器人準確上料

　　3D視覺定位技術應用於機器人上料至機床。攝像頭安裝固定在3DL視覺支架上。

　　該技術解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由於工件為毛坯件，機器人抓取工件後，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。對於此，在沒有3DL視覺系統(tǒng)的情況下，機器人是無法實現(xiàn)對工件的準確上料。

　　其原理是：選一個毛坯件作為初始工件，通過3DL視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。當抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過3DL軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器[PR]中。此時機器人可以通過把偏差值[PR]補償?shù)匠跏忌狭衔恢脕韺崿F(xiàn)工件的上料。

　　2DV是通過攝像頭計算平面變化量，3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變化量。實際上3DL是2DV與激光技術的綜合應用，該技術大大增加了系統(tǒng)設計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設計時。

　　軟浮動功能：補償機器人手爪在抓取工件時產(chǎn)生的位置偏差
　　軟浮動功能（Soft Float）應用於工件抓取和機器人機床上、下料步驟。

　　該項目中，機器人手爪抓取處於待加工工件位置在毛坯面，各個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引起一系列的問題，這包括：工件在托盤內，機器人抓取後，由於毛坯面帶來的偏差就會導致工件在手爪抓取時產(chǎn)生移動，偏差大的時候會與托盤之間產(chǎn)生摩擦；機器人從機床下料時，由於毛坯面帶來的偏差，導致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強硬貼合上，在工件脫離定位銷時會有嚴重的摩擦，導致碰撞報警。

　　雖然有2DV視覺補償，但是毛坯面不能作為特征量，導致在機器人手爪抓取工件的位置在不停的變化，機器人無法補償此偏差。

　　當開啟軟浮動功能後，機器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過參數(shù)設置。手爪在抓取毛坯件時可以根據(jù)毛坯面改變姿態(tài)，達到完全貼合，避免碰撞和摩擦。

　　在該項目中，工件定位孔與機床定位銷（錐形）之間的配合精度達到0.01毫米。機器人本身的重復精度是大於0.01毫米的，導致工件上料位置偏差。此時，通過應用軟浮動功能，機器人首先抓取工件運行到定位銷錐度部位，由機床夾具夾緊，機器人通過軟浮動移動至上料位置，從而實現(xiàn)上料過程。

　　展望：機器人自動柔性搬運系統(tǒng)在重型汽車生產(chǎn)中應用前景可期

　　隨著中國經(jīng)濟的快速增長，重型載重運輸汽車的需求在不斷地擴大，為滿足巿場的需求，各重型汽車廠正在不斷地積極開發(fā)新產(chǎn)品，并擴大原有產(chǎn)能。使用機器人服務加工中心組成柔性加工生產(chǎn)線的自動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)品質等方面起到了顯著作用。

　　由上文可知，機器人自動柔性搬運系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質量穩(wěn)定性，同時兼具柔性和可靠性較高、結構簡單和便於維護的優(yōu)點，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。對於重型汽車生產(chǎn)廠家來說，可以很快進行產(chǎn)品結構的調整和擴大產(chǎn)能，同時大大降低了產(chǎn)業(yè)工人的勞動強度，具有廣泛的應用前景。