佛山隆深机器人有限公司 广东佛山
摘要：将机器人运用在自动化上下料系统中，能大大减少工作人员在恶劣的生产环境中的停留时间，可实现生产过程数据与车间数据库对接以便进行管理、分析、统计，对提高车间设备装备水平、改善工人生产劳动条件、降低劳动力成本具有显著效果。
关键词：工业机器人；自动化下料；机器加工
1.前言
随着高端装备制造业成为“中国制造2025”重点发展的十大支柱产业之一，工程机械制造作为我国装备制造领域的重点行业之一也将会出现新的机遇期，未来一段时期工程机械制造企业生产将面临制造智能化、柔性化、自动化、高度集成化的应用转型期。但目前，我国工程机械行业的技术基础和产业基础仍处于工业2.0、3.0阶段，在智能化方面主要工程机械厂家仅在产品制造工艺中引入工业机器人和数控加工设备，虽然有效提高了产品质量和工作效率，但基本上都是单体作业，并未把人完全从繁重的作业环境中解放出来，距“中国制造2025”的制造智能化、柔性化、自动化高度集成化的目标相差甚远[1]。如何实现制造业高大上的目标，不能只依靠工程机械制造企业摒弃现有工艺布局和设备，全新投入，因此针对现有设备的技术升级改造是满足目前企业现状的适时技术创新突破点，也为工厂设备智能化自动化技术革新探索提供方向，逐步向先进制造技术4.0迈进。
通过对某公司引进日本数控（立式）内花键、键槽拉床进行分析，其加工精度达到um级别，机床最大拉削力为20t，最大滑枕行程1 800mm，切削速度0～15m/min无级调速。机床整体带半封闭的防护罩，在方便于机床的日常维护、清理及刀具更换的同时保证换刀具、拆卸刀具安全。装有透明观察窗，同时配有方向可调节的照明灯，防护罩前门为左右开，顶部开放方便工件装卸。目前工件上下料仅靠人力搬运，大机型工件还需两人协作，且拉床工件装卸操作空间狭小，导致人员劳动负荷较高，同时设备的高效性优势无法得到充分发挥。
2.自动上下料系统的设备组成及工作原理
自动化上下料系统主要配置有以下设备：机器人（含机械臂、机械手夹具）、出料装置、链式给料机、进料装置等。
2.1机器人
本方案选择的机器人为三轴式机器人，主要由底座、立柱、机械臂、机械手夹具、传动机构、称重装置等组成。机器人为该自动化上下料系统的主体设备，其位于出料装置和进料装置中间，通过机器人机械臂上的机械手夹具实现对容器的装夹、旋转、卸料和装料等动作，完成自动化上下料动作，并实现自动称量和统计功能。机器人的动作和功能始终贯穿于整个自动化上下料系统各个生产步骤中，三轴均使用进口伺服电机和减速机驱动，动作精准到位，具有结构紧凑、重复定位精度高、反应灵敏等优点。
对该机器人的设计重点和难点在于机器人的机械臂上的机械手夹具的设计，因容器材料具有抱夹时易滑脱破碎等特性，设计了采取上卡、下托方式：即在夹具抱住容器的同时，夹具的上部卡住容器的边沿，在出料倾倒容器时能托住容器；而下托板是为承受容器的主要重量而设，减少了夹具抱紧容器的力度[2]。刚出炉的容器表面温度为80℃，为防止夹具的直线导轨和运动部位过热，增加夹具和容器之间的摩擦力，特别设计了带缓冲功能的硅胶垫装在夹具的弧形内壁上，硅胶垫作为易损件可在线快速更换。为减少投资成本，采取固定臂长的方案，可减少机器人轴数。称量装置设置在J2轴的丝杠螺母上，对机械手夹具装夹的物品可实现称量。
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2.2出料装置
出料装置主要由中间料斗、振打装置、支架及成品料斗等设备组成。中间料斗用支架固定在成品料斗上方，主要功能为在成品料斗倒运期间不中断生产，将期间捣碎的成品料接住，以等待空的成品料斗到位。在中间料斗底部设置有推拉式闸板，处于常开状态，使得被捣碎倾倒出的成品料能顺利落到成品料斗中；只有当成品料斗料满后，人工将中间料斗推拉闸板关上，叉车将成品料斗拉走，换上空的成品料斗，再打开闸板。振打装置固定在中间料斗内部，用于将板结的成品料以振动打击的方式捣散，使料能全部落入中间料斗中。因容器材料特性，我们在设计自动化上下料系统时，对振打方式进行反复试验，使振打装置既能将成品料振动松散，力量又不能过大而损坏容器。振动装置的振打电机为变频电机，振打频率可任意调节，方便达到最佳效果。振打装置由减速电机、偏心凸轮机构和多头振打头等部件组成。
2.3链式给料机
链式给料机位于生产线平行轨道旁，与轨道同向布置，作用是当机器人机械手夹具夹着容器转到装料位时，计算机发出信号，链式给料机启动，将原料输送至容器内，输送机为Z型链式输送机，输送能力为0.8m3/h，采用密封式，以防止送料时原料中的粉尘飞扬[3]。链式给料机电机为变频控制，输送速度可调控。
2.4进料装置
进料装置主要由原料斗、中间料斗及支架等组成。原料斗在原料车间装好原料后，由叉车将原料斗置放于进料装置的支架上，人工放下位于原料斗底部的颚式闸板，使原料斗中的原料直接进入到中间料斗中。中间料斗用门型架固定在链式给料机的进料口上方，能存储装9只容器的原料，使更换原料斗期间不中断生产。中间料斗下部为软管，链式给料机停止工作时，原料堵在软管里下不来，链式给料机启动时原料可通过软管不断地流进链式给料机进料口。当机器人机械手夹具运动至进料装置接料位准备接收原料时，PLC发出信号，链式给料机启动，为容器装填原料，在装料过程中，机械臂在水平方向作一定幅度摆动，使原料装填更加密实。
3.机器人的动作和功能
机器人机械手夹具得到指令从“等待位”出发，经卸料、装料、将容器送回夹持位、回到“等待位”为一个运动周期，正常情况为（不包括处理过程发生的容器破碎等意外情况）一个循环周期，远远大于生产线15min的生产节奏，为人工干预等情况预留了足够的空间。机器人采用PLC控制，与原生产线PLC系统通过以太网通信，具体动作和功能自动化上下料系统生产节奏为5min，也即该机器人的运动节奏[4]。该系统正常生产节奏如下：等待位→旋转至夹持位夹取容器并称量（0.5min）→旋转至卸料位，夹具旋转倾翻倒料，并称量（0.5min）→若判断料未倾倒完毕，启动振打装置，将板结的成品料捣散（2min）→旋转至装料位，链式给料机启动，机械臂作一定幅度的水平摆动，使填装原料均匀、密实。当称量装置检测到容器装满料后，链式给料机停止布料（1.5min）→旋转至夹持位，把容器放到轨道上（0.5min）→回到等待位，完成一个动作周期。
结束语
该车间经过上下料自动化改造后，现场十余条生产线的生产状况可实现计算机统一监控管理，当原料成品料需要倒运或者发生故障报警时，才需要工人前往现场处理。每条生产线的原料上料操作工序可减少工人在车间停留时间30min左右，可减少劳动力约3人左右[5]。另外，由于设计了原料斗，每斗原料可以持续使用超过12h，故夜间无需倒运，可减少夜间值班人员的数量。自动上下料系统的应用，对该企业改善车间作业环境，降低劳动力成本有着显著的效果。随着国家对于企业生产环境、劳动保护等方面的法律法规日益完善，劳动力成本在日益增加，智能化机器人在制造业特别是钢铁行业一些环境恶劣的生产现场有着广阔的应用空间。
参考文献
[1]孙世超，李德明.工业机器人在机加工设备上的应用探索[J].建筑机械化，2016，（10）：45-47.
[2]贾文静.基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用[J].化工管理，2016，（07）：224.
[3]闫振杰.工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究[J].科技展望，2016，（02）：74.
[4]谢吉红，李诚人.工业机器人在机床上下料应用中的相关问题[J].山东工业技术，2015，（18）：25.
[5]梁殿胜，江文明.工业机器人在机床上下料和零部件搬运中的应用[J].机电信息，2014，（27）：47+49.
论文作者:刘震宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/22
标签：料斗论文; 链式论文; 机器人论文; 容器论文; 夹具论文; 装置论文; 成品论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;