机器人自动柔性搬运系统在重型汽车生产的应用

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机器人自动柔性搬运系统在重型汽车生产的应用

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* V8 @1 D" n8 B6 A" c/ j作者：钱晖 朱浩翔 夏伟 李广伟    来源：雅式工业专网


( C5 m+ X4 D& ~9 C5 H9 S4 |1 c汽车桥箱类零件具有精度高、加工工序多、形状复杂、重量重的特点，为提高其加工精度及生产效率，各重型汽车生产厂家纷纷采用数控加工中心来加工此类零部件。而在使用数控加工中心加工工件时，要求工件在工作台上具有非常高的定位精度，且需要保证每次上料的一致性。
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5 d7 G8 S2 D* K/ j' |由於人工上料此类的工件具有劳动强度高、上料精度不好控制等缺点，现在正逐步被工业机器人或专机进行上下料所取代。

+ d0 B2 V9 J+ k+ m工业机器人具有重复定位精度高，可靠性高，生产柔性化，自动化程度高等突出的优势：与人工相比，能够大幅度提高生产效率和产品质量；与专机相比，具有可实现生产的柔性化，投资规模小等特点。

机器人智能化自动搬运系统作为减速器壳体加工的重要生产环节，虽然已经在国内重型汽车厂内取得成功的应用，但依然尚未普及。在国家经济建设飞速发展的进程中，重型载重汽车的生产能力及生产力水平亟待有一个质的飞跃，而工业机器人即是提升生产力水平的强力推进器。
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机器人自动柔性搬运系统布局

图1所示为机器人自动柔性搬运系统的现场布局。该系统包括1台FANUC R-2000iB/165F机器人，1个机器人手爪，1个长11m的行走轴，2台上下料滑台，FANUC iR Vision 2DV视觉系统，FANUC iR Vision 3DL视觉系统，5台抽检滑台，电气控制系统。该系统使用1台机器人完成服务5台机床进行上下料的作业。
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图1 机器人自动柔性搬运系统的现场布局

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在此系统中，1台FANUC R-2000iB/165F机器人被安装於行走轴上，能够实现整个系统的上下料动作。基於机器人专用手爪单元开发的手爪，非常适用於工件一致性较差的使用情况，并有较高的定位精度和抓持稳定性。
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在长度为11m的行走轴导轨上安装一台工业机器人，最大运动速度为1.5米/秒，使用FANUC伺服电机驱动，具有重复定位精度高、响应速度快、运行平稳、可靠等特点。此外，还专门设计了防尘罩，保护导轨、直线轴承以及齿条等运动部件，有效提高了可靠性和使用寿命。在实际应用中，导轨安装於两条生产线机床的中心线上，所安装的工业机器人运动范围完全覆盖5台机床以及上下料滑台区域。从而实现了1台机器人服务5台机床进行上下料作业。

3 j8 Y2 N. v6 J& F" b# e2台上下料滑台，每个上面有4个托盘，每个托盘分别可以存放一个工件。以实现待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在该系统中，由於使用了视觉技术，因此上下料滑台无需工件的定位装置。
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FANUC iR Vision 2DV视觉系统由一个安装於手爪上的2D摄像头完成视觉数据采集。该视觉系统作为待加工工件准确抓取的定位方式，省去通常为满足机器人的准确抓取而必须采用的机械预定位夹具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地实现多产品混合生产。
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& o4 t- v% z2 S6 c) @1 J  P! F' c1 N: l而FANUC iR Vision 3DL视觉系统由一个安装於地面上的3D Laser Sensor完成视觉数据采集。该视觉系统解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由於待加工工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。该技术可以自动补偿位置变化，实现高精度上料。
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5台抽检滑台分别针对一台机床，以实现随时对该机床加工工件质量的检测。
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电气控制系统运用人机界面对整个机器人自动柔性搬运系统的运行状态进行监控。采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工业现场总线实现系统中实时和非实时数据的传输，具有高度可靠性和可维护性。安全设备采用门开关作为机器人工作区域的安全防护，完全做到人机隔离，确保系统在自动运行中的人员安全。

该套设备的应用极大地提高了产品的质量稳定性，节省了大批人工，提高了企业的自动化水平，减少了企业的劳动力成本支出，提高了产品的巿场竞争力。系统流程如图2所示。

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图2 机器人自动柔性搬运系统流程图

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" L5 w4 `1 x, C) u2D视觉技术：无夹具定位工件的自动柔性搬运
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机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头（vision系统）实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号後，机器人装上为工件定制的专用手爪可靠的抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求後，最终完成机床的上下料。在各种机械加工行业中该系统应用广泛。
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使用机器人对无夹具定位工件的自动柔性搬运系统可以使生产流水线更加简单易於维护，并大幅度降低工人的劳动强度，效率和柔性又比较高。该系统结构简单，安全文明，并且无污染，能在各种机械加工场合进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。

FANUC iR Vision 2DV视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置的补偿值，实现机器人自动抓放。该技术实现了机器人在无夹具定位工件情况下的自动柔性搬运。

在该上下料系统中，待加工工件形状复杂，用夹具进行定位非常复杂，也不利於以後同类新产品的扩展。应用FANUC iR Vision 2DV视觉系统後，待加工工件只需放置於上下料滑台无定位装置的托盘上，实际情况为待加工工件可以在托盘上移动正负2厘米以及旋转正负30度。这样大大减少了在上下料滑台上的设计工作，保证了系统的扩展功能。
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FANUC iR Vision 2DV视觉系统的原理是，选一个待加工工件作为初始工件，通过2DV视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的抓取程序为初始工件初始位置的抓取位置，此时工件抓取偏差值为零。当工件平移或者旋转後，位置与初始工件的位置发生变化。通过2DV软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始抓取位置来实现工件的抓取。2DV视觉系统操作流程如图3。
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9 I' M, `+ U2 O" W! m) v0 P' {; a图3 2DV视觉系统操作流程

在该上下料的应用中只有一种工件，当有多种工件时，2DV视觉系统可以根据不同的工件进行多次特征标定，实现多种工件之间的切换调用。大大提高了系统的可扩展性，柔性度高。
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2 a7 X$ J) N' ]& j9 q6 v3D视觉定位技术助力机器人准确上料
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% \3 s- g5 l, `9 G, a3D视觉定位技术应用於机器人上料至机床。摄像头安装固定在3DL视觉支架上。

7 _1 ~4 ~( H6 {+ r该技术解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由於工件为毛坯件，机器人抓取工件後，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。对於此，在没有3DL视觉系统的情况下，机器人是无法实现对工件的准确上料。
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: K/ z1 E; S( Y  w7 m' C" M其原理是：选一个毛坯件作为初始工件，通过3DL视觉软件对该工件在摄像头中的画面点位与机器人示教点位的关系进行标定，同时完成初始工件的特征标定。示教完成的上料程序为初始工件初始位置的上料位置，此时工件上料偏差值为零。当抓取其它毛坯件後，定位孔位置以及工件的平面度发生变化。通过3DL软件，机器人能够计算出位置变化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。机器人把该偏差值存入位置寄存器[PR]中。此时机器人可以通过把偏差值[PR]补偿到初始上料位置来实现工件的上料。
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: d: V& p4 H* S) i' D+ H2 W" D2DV是通过摄像头计算平面变化量，3DL是通过摄像头和激光综合计算空间变化量。实际上3DL是2DV与激光技术的综合应用，该技术大大增加了系统设计的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件设计时。

' L2 K9 M+ L) m, V软浮动功能：补偿机器人手爪在抓取工件时产生的位置偏差
5 X- J  z( E1 `1 F$ o软浮动功能（Soft Float）应用於工件抓取和机器人机床上、下料步骤。

该项目中，机器人手爪抓取处於待加工工件位置在毛坯面，各个毛坯件抓取位置与定位孔位置都有差异。毛坯面与定位孔位置的变化会引起一系列的问题，这包括：工件在托盘内，机器人抓取後，由於毛坯面带来的偏差就会导致工件在手爪抓取时产生移动，偏差大的时候会与托盘之间产生摩擦；机器人从机床下料时，由於毛坯面带来的偏差，导致手抓不能完全贴合毛坯面，即使强硬贴合上，在工件脱离定位销时会有严重的摩擦，导致碰撞报警。
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9 n3 ~+ }; K" ~# p虽然有2DV视觉补偿，但是毛坯面不能作为特征量，导致在机器人手爪抓取工件的位置在不停的变化，机器人无法补偿此偏差。
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# P: R6 S; N* |' s* u2 [0 r当开启软浮动功能後，机器人可以受外力改变姿态，改变大小可以通过参数设置。手爪在抓取毛坯件时可以根据毛坯面改变姿态，达到完全贴合，避免碰撞和摩擦。
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在该项目中，工件定位孔与机床定位销（锥形）之间的配合精度达到0.01毫米。机器人本身的重复精度是大於0.01毫米的，导致工件上料位置偏差。此时，通过应用软浮动功能，机器人首先抓取工件运行到定位销锥度部位，由机床夹具夹紧，机器人通过软浮动移动至上料位置，从而实现上料过程。
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& e+ D5 x) e, z, y3 s' `展望：机器人自动柔性搬运系统在重型汽车生产中应用前景可期
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随着中国经济的快速增长，重型载重运输汽车的需求在不断地扩大，为满足巿场的需求，各重型汽车厂正在不断地积极开发新产品，并扩大原有产能。使用机器人服务加工中心组成柔性加工生产线的自动化方式逐步得到广泛采用，从而在提高生产效率、减少人工成本、保障作业安全、提高生产品质等方面起到了显着作用。

7 V8 d, ]) \8 x# b( s- Z0 ]由上文可知，机器人自动柔性搬运系统具有很高的效率和产品质量稳定性，同时兼具柔性和可靠性较高、结构简单和便於维护的优点，可以满足不同种类产品的生产。对於重型汽车生产厂家来说，可以很快进行产品结构的调整和扩大产能，同时大大降低了产业工人的劳动强度，具有广泛的应用前景。(end)