摘要：汽车的冲压产线有生产效率高、产线稳定性要求高等特点，在自动化冲压产线中使用工业机器人协助生产，能够大大提高汽车生产效率与生产质量，产生显著的经济效益。本文介绍一个广数的RB165工业机器人搬运装箱汽车的“后地板”零件（后文统称为工件）应用案例，通过该案例可以为类似生产工位的自动化改造提供良好的案例参考。
关键词：工业机器人 汽车钣金冲压线 自动化
1.项目背景
工件的冲压线末端通过输送线送出，经过人工质量检查之后，需要进行工件下线并进行装箱工作。该生产线生产制为3班倒，每班8小时。
该工件有如下特点：
1）.生产节拍高，生产线的最高输出速度可达10件/分钟；
2）.工件大，尺寸为1655*1453*232；
3）.工件重量较大，达15kg。
本项目解决工件的自动化下线与装箱工作，机器人需要将不合格产品与合格产品分别装箱。
上述生产中，人工劳动强度非常大，效率跟不上工件的输出速度，并且工件大且重，搬运过程中存在危险性以及效率不稳定问题。采用工业机器人搬运装箱可实现高效，稳定，长时间工作，柔性变更产线的优点。
2.项目实施情况
2.1系统组成
该自动化单元主要由总控制系统，人机交互系统（显示屏、操作界面）、执行机构（皮带线、4台RB165机械手）、信号采集系统（2套视觉系统、各种检测开关第等）、报警系统以及安全护栏组成。实际现场工作效果如下图1所示。
图 1 项目现场
控制系统每一项系统的电气控制全部按照分散控制、集中监控原则。控制系统采用控制层与设备层两种控制模式，每层使用不同软硬件配置和网络结构，达成不同层次不同功能的目的。
控制层中，控制层中的控制系统使用PLC 控制方法，有着自动控制与单独控制功能。为确保系统能够可靠、稳定的运行，使用315F-2DP/PN，总线用Profibus 总线与以太网系统。本单元的控制系统的PLC与上游工序设备上位机质检以工业以太网连接，机器人和控制系统由Profibus-DP 总线完成连锁对接和信息交换。
设备层是控制系统最关键、最底层环节。包括执行机构（电磁阀、皮带线的调速器）、输入设备（HMI人机界面）、视觉定位单元（康耐视5403-11）、检测单元（光电开关、接近开关）、现场操作站等内容直接把信号输送至PLC，并完成PLC 输出指令的传达。不同传感器、阀的接线盒、视觉单元都用Profibus-DP 与总控PLC完成通讯工作。触摸屏使用串口与PLC通信。
上游工序的冲压机控制系统通过一条工业用以太网总线连接到本单元的控制系统中，当上游冲压系统出现故障或改变生产节奏，本单元都可以自动协调，改变生产节奏。如果本单元出现故障，也可通知上游工序做出相应的改变。
安全系统在自动化生产中尤为重要。本单元的控制系统PLC中自带了安全芯片，可为其配备安全装置，用于实时了解和控制安全与区域的情况，以便当出现问题能够及时停机并发出声光报警。控制系统综合处理系统中的各个急停按钮、安全门、安全检测开关及外部安全信号，并根据安全等级划分做出不同的处理。
在人机界面上显示零件名称、装箱数目、台车定位、机器人轨迹、各台机器人程序号、各条皮带机速度、视觉系统参数及现场安全链安全状态等。另外整个单元的系统还通过指示灯、蜂鸣器通知报警、换料、警告、当前模式等信息。
2.2动作过程控制
图中11500x9700的区域为机器人的工作区域，在之前的人体示意区域为，人工质检工位。上下各两个位置是装工件的台车的停放位置。
图 2 布置方案
机器人抓取工件时，输送线不停止。工件的位置通过前端视觉系统确定。总共设置两套视觉系统，1号机器人和2号机器人共用一套视觉系统。3号和4号机器人共用另外一套视觉系统。
皮带线上连接编码器，皮带的输送距离通过编码器输送给系统，进而可获知工件的移动速度与位移。
工件的位置与方向通过视觉获取，机械手跟随输送线抓取工件。摄像机采用eye-to-hand方式，固定在输送线上方。捕捉工件的坐标值与方向后传输给控制系统。控制系统将输相应值传输给机器人。机器人接合输送线上的编码器获得工件的位移值与输送速度进行跟随抓取。
图 3 视觉跟随抓取
（1）合格/待处理品判断
在弯道后的第一段直线皮带有四个人工检验工位，每个工位均可由人工来判断经过的工件是否符合质量要求，如果不符合的话操作人员就按下旁边的操作盒上对应按钮通知控制系统此工件为待处理品，工件默认为合格品。
（2）皮带线的控制
当皮带线上工件全部抓取完毕后，可以人工停止系统，此时皮带线也需要停止；当系统启动时，皮带线也跟随启动；
如果前端冲压机的生产节拍发生变化时，压机控制系统通过网络通知本单元控制系统控制皮带机跟随改变运动速度。
（3）工件分类装箱控制
四台机器人配合两套视觉系统协同完成工件的抓取，主要有以下几种情况：
1）.只有合格品时，机器人1、2、3、4全部定义为合格品抓取，由机器人1、4组合或者2、3组合交替完成抓取。此种情况下会有两台台车几乎同时装满，所以就需要叉车工在预定的时间内完成对应一组台车的更换。如果系统出现故障或是叉车工未能及时更换完台车，控制系统会通知冲压机控制系统暂停或暂时向手工线运送工件，待系统恢复正常后再向机器人装车线放置工件。
2）.只有不合格品时，机器人1、2、3、4全部定义为不合格品抓取，其情况与A类似。
3）.混装时，既同时有可能有合格品和不合格品时，机器人1、2、定义为合格品抓取，3、4定义为不合格品抓取。如连续出现合格品，则由机器人1、2轮换抓取；如连续出现不合格品，由机器人3、4轮换抓取。如果系统出现故障或是叉车工未能及时更换完台车，控制系统通知冲压机控制系统暂停或暂时向手工线运送工件，待系统恢复正常后再向机器人装车线放置工件。
4）.操作人员可选择在线抽检模式，当前工件四台机器人都不进行抓取，有人工对工件进行抽检。抽检在南侧线尾自动装箱质检皮带机处进行，不影响B线在线抽检功能。在此模式下，系统在硬件上保证机器人不能动作，同时保证自动装箱区设备安全状态。
（4）台车到位检测与更换通知
系统具备四个台车放置工位，机器人将台车装满后通过警示灯和蜂鸣器提醒操作人员更换台车，系统控制安全升降门打开，由人工更换台车，系统检测台车到位后，关闭安全升降门，进入相应的抓取程序。
（5）端拾器设计
端拾器由人工进行更换，更换时机器人移动到安全位置，方便人工更换，同时不影响其他机器人的抓取；每台机器人配备1套端拾器，同时准备一套随机备品，共5套；采用真空吸件方式，具备真空检测及显示功能，和整个系统连锁。
图 4 端拾器
3.应用效益分析
在经济上，该自动化单元可减少生产人员至少12人（每件工件由1个人员搬运，每班4人）。约两年可收回成本。并且该系统手爪，视觉系统皆可调整，换产时，经过调整即可适应同类工件。
在生产效率上，该自动化单元工作节拍高，该系统上线使用过程中，未见抓取失败现象，抓取成功率为100%。可自动跟随上游调整生产速度。
在安全性上，该自动化单元避免人员搬运大物件带来的操作危险。
综上所诉，机器人自动生产线的投入使用能够大大减少工人劳动的强度，提高产品质量与劳动效率，确保生产的安全、高效。
近年来，由于国产机器人的发展崛起，工业机器人的价格大幅下降。另外由于精度高、能源利用率高，因此还能够减少原材料和能源的损耗，节省生产加工时间与成本。这些都使得使用工业机器人可以带来非常明显的经济效益。
参考文献：
[1]王田苗.全力推进我国机器人技术[J].机器人技术与应用，2007（2）.
[2]中国机器人网（www.Robotschina.com）.
[3]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社，2006.
论文作者:余天荣,黄俊荣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
标签：工件论文; 机器人论文; 系统论文; 控制系统论文; 合格品论文; 台车论文; 单元论文; 《电力设备》2019年第1期论文;