基于搬運機器人的模具輸送系統設計與實現
2017-7-24 來源： 北京機械工業自動化研究所 作者： 鄭洪強，王海濤，員俊峰，宋 鑫
摘要：本機器人輸送系統可完成對高溫絕緣端子模具與工件的自動化輸送與定位，設計安裝一套機器人快換手爪裝置，實現對不同工件和模具的抓取任務。能減少人工勞動強度，保障工人安全并提高生產效率。
關鍵詞：輸送鏈；快換手爪；機器人；控制系統
0.引言
高溫模具輸送系統是我所依據某企業客戶高壓絕緣端子生產和輸送的需求，針對高溫模具與高溫工件研發設計的一套機器人搬運與定位系統.系統由兩條輸送鏈,一臺搬運機器人，兩套快換手爪，一套掃碼裝置及周邊安全防護系統組成。采用掃碼識別不同模具，變頻器和伺服電機組合定位。系統操作方便、定位準確、便于線體擴展和增加模具種類。從技術和工藝上完成了高溫模具和工件的運輸要求。
1.系統構成
該系統將變頻輸送、伺服定位與機器人搬運相結合，將高溫模具與工件按照生產要求進行定向混合輸送。模具輸送如圖1所示。
圖1 模具位置
系統由進料輸送鏈、出料輸送鏈、機器人搬運系統和周邊防護組成。進料鏈用于向分模工位輸送含工件的模具，進料口設置條形碼讀寫系統，讀取模具信息以保證不同大小的模具可隨機輸送。模具抓取位置加定位氣缸配合機器人定位抓取。
搬運機器人由機器人本體、手爪快換裝置和兩套手爪組成。根據抓取工件或模具的不同信號，機器人快換裝置更換不同的手爪進行抓取。模具手爪采用定位氣缸抓取，工件手爪采用伺服電機對工件進行高度定位，通過快換裝置保證兩手爪信號的準確和穩定。本裝置減少了機器人使用數量，解決了一臺機器人無法抓取異類產品的難題，降低了工業投入成本，從技術上保證了搬運的質量和效率。
出料輸送鏈采用工件和模具交替輸送，機器人自動識別放置工位分別放置高溫工件或模具。同時，系統在出料口設置安全聯鎖，用于保證系統的安全運行，系統布置圖如圖2所示。
圖2 系統布置圖
2.控制流程
本系統采用西門子315-2DP的PLC控制器和9寸觸摸屏，加配對應的輸入輸出模塊進行信號的采集和控制，在PROFIBUS總線連接遠程分站與脈沖輸出模塊，控制伺服電機行走位置。同時通過DP總線與機器人進行數據交互與信號聯鎖。進出料輸送鏈采用變頻電機加齒輪控制，變頻電機加配編碼器對西門子MM440變頻器進行位置信息反饋。從而精確對輸送鏈進行啟停控制，同時加配定位氣缸完成準確定位。系統I/O原理圖如圖3所示。
在進料口放置模具，通過掃碼槍掃描對應模具的條形碼，系統通過以太網將模具信息傳遞到PLC控制器內部，信息讀取成功后，進料鏈自動前行一個工位，進料口工位可繼續進行上件掃碼流程。所有進料鏈模具建立隊列，先進先出，同時在觸摸屏設置隊列模具信息更改端口，通過調用模具位置號可更改對應工位的模具信息。部分隊列寫入程序如下：
當模具輸送到進料鏈機器人抓取位后，進料鏈抓取位傳感器檢測到模具，定位氣缸伸出配合進料鏈電機完成模具定位。同時，電機編碼器將位置信息反饋給變頻器，通過變頻閉環控制實現精準的模具定位。此時，進料口模具進入等待狀態，待機器人抓取完成后進料鏈自動移動。
當模具定位完成后，通知機器人開始抓取動作。機器人自動更換模具手爪，對模具采用氣缸固定的方式行抓取。對于不同類型的模具，每個模具的尺寸和外形都可能不同，因此需要機器人調用不同的抓取程序進行抓取任務，抓取動作開始前，PLC將條形碼信息轉換成對應模具信息交互給機器人，機器人調用不同的抓取程序將模具抓至分模工位。
模具和工件在分模工位分離完成后，首先請求機器人抓取工件至下料鏈，機器人通過手爪快換裝置自動更換工件手爪，工件手爪采用伺服電機進行位置控制，對應不同工件直徑調用不同的位置信息，伺服電機驅動手爪伸出收回實現抓緊與放開工件。機器人調用不同的抓取程序完成對不同類型工件的抓取任務。機器人動作同時與PLC進行信號交互，控制出料鏈識別工件放置位與模具放置位。通過變頻電機驅動出料鏈行走至工件放置位，機器人接收到出料鏈允許放置的信號后將工件放至下料鏈，程序任務完成后向PLC發出下料鏈移動信號將工件運輸至下料口。工件手爪放置工件如圖4所示。
3.安全預警及故障處理
本高溫模具工件輸送系統具有完善的安全預警機制與故障處理方案。因為模具重量大、溫度高，因此在系統使用過程中必須保證工人的作業安全，當系統出現故障后，在人機交互界面能及時顯示并處理故障。進料
圖3 系統IO原理圖
采用有限元分析方法對結構應力及變形位移進行分析，從計算結果中發現杠桿與試樣直接接觸存在的問題，并通過應變片測試對比驗證了計算結果的準確性。本文針對杠桿加載得到的主要結論有：加載杠桿直接作用于試樣的連接形式最為簡便，但杠桿加載時的微小轉角會導致承力支點偏移，該承力支點偏移導致兩個結果，一方面試樣上應力分布不對稱，應力集中在試樣一側，另一方面杠桿加載比例發生變化，載荷放大倍數降低。
球形鉸連接能夠保證杠桿在施加載荷過程中，承力支點位置保持不變，使得杠桿放大倍數保持恒定，有限元分析計算結果顯示，該連接方式能夠滿足本文提出的設計要求。
本文研究揭示了杠桿加載連接設計中容易存在的問題，并給出了解決辦法，為杠桿加載的深入研究提供參考及數據理論支持。
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