氣缸類工件自動生產線工藝分析與總體設計探究

摘要：針對某企業的氣缸類工件自動化生產項目，根據工件的工藝要求，基于RB50系列關節機器人開發設計該工件自動生產線。在介紹生產線工藝的基礎上，建立集主機設備、機械手自動上下料系統、工件傳送裝置、電控系統等為一體的自動生產線。該生產線極大地提高了現有產品的生產率，改善了操作環境以及該企業生產的自動化程度。

關鍵詞：自動生產線;機器人;工藝分析;生產節拍

1? ? 氣缸十六軸孔自動生產線概述

采用機器人自動化生產線進行零件加工，能滿足現代制造企業大批量、高效率、高質量的需求，是制造業現代化發展的必然趨勢。氣缸十六軸孔自動生產線結合客戶氣缸十六軸孔加工的生產項目需求，開發設計兩臺機器人完成一條生產線4臺或5臺十六軸數控設備加工工件的自動上下料操作，一臺機器人在2臺或3臺十六軸數控設備之間工作，以改善現有加工裝置自動化程度不高的缺陷。生產線均采用工業機器人進行自動上下料，集零件自動完成工件上料、加工、輸送、再加工、下料、智能化存放于一體，一定程度上實現了氣缸十六軸孔加工效率的提高，使得零件生產品質全面提升。

2? ? 工藝流程分析

2.1? ? 氣缸十六軸孔零件工藝流程分析

氣缸類工件結構復雜，壁薄多孔，加之對于粗糙度和位置精度的要求很高，而且孔加工部位比較多，對各孔的圓柱度、垂直度、同軸度等位置精度要求十分高，整體加工技術要求較高。因此，在進行生產線總體設計前加強對工藝流程的分析十分重要，通過對加工零件的材料、精度要求、加工內容等進行詳細分析，保證產品入料定位精度要求，不容許有毛刺，內徑棱線處、X/Y面不允許有刮痕、壓痕、打痕，不允許有砂孔、氣孔、疏松等缺陷。因此，要確定詳細的工藝線路，同時明確工件在加工時的定位面和夾緊點，工件在各個工序之間的運輸、翻轉、存儲等中間工位，機械手進行工件抓取的定位、夾緊、松開、檢測功能。本生產線機器人一次同時能裝夾8個工件，其中上料4個、卸料4個，相對位置滿足工藝及準確裝料和卸料要求。確定零件流轉過程中所需的輸送方式，導向定位、輸送時間要求，信號檢測等，保證物料定位、移動和換面功能，更換機種時，更換相應備件時間不超過30 min。設計人員只有在明確以上技術要求的基礎上，才能設計出符合產品需求的生產線。

本次加工遵循先粗后精，并盡可能集中工序，以滿足一次裝夾完成多道工序的加工原則。氣缸十六軸孔上下料加工由工序OP3～OP6來實現，其加工工藝流程如下：

（1）機器人從儲料架上抓取需加工零件，移動至OP3鉆床外等待。當OP3鉆床發出加工完成信號后，機器人進OP3鉆床抓取加工好的零件;旋轉機器人手爪180°，換上需加工零件，機器人發出指令讓OP3鉆床加工。

（2）當OP3鉆床加工完之后，機器人抓取加工好第一道工序的零件，放置在OP4鉆床外等待加工完成信號，加工完成后，換下加工好第二道工序的零件，旋轉機器人手爪180°，換上需加工零件，機器人發出指令讓OP4鉆床加工。

（3）機器人從OP4鉆床抓取已加工零件，移動至中轉臺上面。機器人抓取中轉臺上面的零件進行翻轉，在OP5鉆床外等待加工完成信號，當OP5鉆床發出加工完成的信號后，機器人進OP5鉆床抓取加工好的零件;旋轉機器人手爪180°，換上需加工零件，機器人發出指令讓OP5鉆床加工。

（4）當OP6鉆床發出加工完成信號后，機器人進OP6鉆床抓取加工好的零件;旋轉機器人手爪180°，換上需加工零件，機器人把加工好的零件置于成品輸送線（成品輸送線客戶自備）。

（5）從上面第一步驟開始循環動作。

2.2? ? 生產節拍的估算

節拍是一個產品完成需要的平均時間，即連續完成兩個相同產品之間的間隔時間。機器人上下料的總時間主要由機械人總運動時間、機械手換爪時間（2～3 s）、機器人上下料的總時間（5～10 s，根據工件大?。Q定。本生產線中機器人移動速度1.5～2 m/s，影響節拍的主要是加工時間。機床加工零件期間機器人可以抓取毛坯或搬運工件，機床的加工時間一般情況下滿足機器人完成上料的準備時間，機床一次換料時間在10 s左右，不超過15 s。

3? ? 總體設計分析

通過綜合多種因素，不斷改進，結合客戶企業自動化生產要求，本設計實現了使用設備最少、實現功能最多、占地面積最小的高性價比生產線。氣缸十六軸孔自動生產線主要由5臺十六軸數控鉆床、2臺或3臺RB50系列關節機器人、2套或3套手爪、1臺儲料架、1臺或2臺中轉臺、1臺操作臺、機器人電柜、安全圍欄及系統輔助等設備組成（其中鉆床、下料輸送線客戶自備），完全實現了氣缸十六軸孔自動化上下料。整體布局如圖1所示。

3.1? ? 機器人形式的確定

機器人是生產線的核心組成部分，主要包括機械手、機器人控制器、手持式編程器、連接線纜、軟件及其他附件，集檢測、定位、夾緊、回轉、松開、移動等功能于一體，具有運行速度快、定位精度高、回轉自由度多等優點。

根據以上對氣缸工件加工工藝流程、零件加工節拍的分析，同時結合客戶生產線的平面布置區間、加工設備、工位及生產線成本等綜合考慮，本生產線考慮選擇RB50系列關節機器人。RB50系列關節機器人擁有6個自由度，運動半徑1 950 mm，J1運動范圍±178°，最大速度為158（°）/s;J2運動范圍+130°～-90°，最大速度為149（°）/s;J3運動范圍+75°～-210°，最大速度為130（°）/s;J4運動范圍±360°，最大速度為215（°）/s，允許最大扭矩為196 Nm;J5運動范圍±115°，最大速度為251（°）/s，允許最大扭矩為196 Nm;J6運動范圍±360°，最大速度為365（°）/s，允許最大扭矩為127 Nm;有效負載為50 kg;重復定位精度為±0.05 mm。性能已達到國際先進水平，具有良好的性價比。

3.2? ? 機器人手爪設計

工業機器人在氣缸十六軸孔生產線上負責上下料和搬運，機器人手爪設計要求夾持氣缸具有一定的剛度與強度。根據零件的重量、外形，選用進口氣動手爪，動作靈敏、可靠，夾持力大，滿足生產線要求。

3.3? ? 控制系統設計

系統包括十六軸數控鉆床、工業機器人、儲料架、中轉臺等控制單元，各控制單元完成相應動作后，發出信號，通知系統進行下一步的動作。

為了確保各控制單元的正常工作順序及控制邏輯的合理性，該生產線采用高性能X86 CPU作為硬件平臺，處理速度快，系統支持幾十個工位、上千個I/O點的邏輯控制，統一接收處理各控制單元的傳輸信號，從而實現各設備之間的動作響應協調。主控制器主要控制中轉臺及儲料架的動作，而機器人與數控機床主要通過自身集成的控制器實現控制。另外，為了滿足對現場設備工作狀態的集中監控需求，本系統通過設計人機界面觸摸屏實現實時監控功能。

4? ? 結語

本文對氣缸十六軸孔加工自動生產線進行了針對性分析，現場加工產能表明：合理進行自動生產線的布局，實現工序轉換自動化，不僅能有效降低企業用工成本，而且成品件一致性也得到大幅度提高。

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收稿日期：2020-05-08

作者簡介：彭冬偉（1986—），男，廣東興寧人，助理工程師，研究方向：工業機器人應用技術。