機器人自動鉆孔系統的設計

□ 薛家興 □ 艾瑞蕤 □ 喬鳳吉

一汽鑄造有限公司 鑄造一廠 長春 130103

1 設計背景

隨著工業4.0時代的到來,生產智能化已經成為不可阻擋的趨勢,機器人代替人工可以大幅度提高生產效率。隨著機器人技術的迅猛發展,機器人逐步應用于各個領域。目前,在汽車行業的噴涂、焊接、搬運等領域,機器人發揮著重要作用,實現了智能化、無人化生產,大大提高了工作效率,降低了人工成本,改善了工作環境。

隨著智能視覺識別技術的不斷發展,視覺技術和圖像處理技術得到質的飛躍,基于視覺的圖像處理技術與工業機器人的結合日益緊密,視覺系統與機器人系統相結合的工業機器人視覺系統被應用至工業生產過程中。在發動機缸體鑄件水套砂芯的生產過程中,依靠人工鉆孔的工作方法已經不能滿足制造的需要和市場的需求。人工鉆孔力度、進給量無法穩定控制,導致出現砂芯鉆孔不到位或損壞砂芯本體,造成砂芯出現廢品。對此,筆者設計了基于視覺識別的機器人自動鉆孔系統。

對于機器人自動鉆孔系統,從機器視覺技術角度研究相關技術難點,為生產自動化提供解決方案,實現發動機缸體鑄件水套砂芯的視覺識別、抓取、自動鉆孔。這一系統已投入使用,由機器人代替人工正常工作,不僅節約成本,提高生產效率,而且保證發動機缸體鑄件水套砂芯鉆孔深度一致,降低砂芯廢品率。

2 系統組成

2.1 組成框圖

機器人自動鉆孔系統由功能完整的工業機器人系統、機器人抓手、鉆孔系統、照相識別系統、信息識別系統、安全系統等組成,系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 機器人自動鉆孔系統組成框圖

2.2 工業機器人系統

工業機器人系統包括機器人本體、機器人控制柜、示教器、底座、供電電纜等。采用四軸機器人,滿足現場發動機缸體鑄件水套砂芯抓取要求。發動機缸體鑄件水套砂芯最大質量為100 kg,機器人夾具最大質量為100 kg,機器人總負荷為200 kg,機器人負載為270 kg,各個關節的負荷均滿足負載要求,并且具有余量。

2.3 機器人抓手

機器人抓手如圖2所示,功能為抓取發動機缸體鑄件水套砂芯完成自動鉆孔。根據發動機缸體鑄件水套砂芯的尺寸與外形具體設計夾具形式,屬于為發動機缸體鑄件水套砂芯單獨設計的夾具,具備良好的夾緊和定位能力。

圖2 機器人抓手

機器人抓手通過柔性設計,可以根據實際位置進行調整,同時也可以兼容多款規格的發動機缸體鑄件水套砂芯。抓手設計有位移傳感器保護措施,可以實時監控夾爪位置信息,判斷發動機缸體鑄件水套砂芯是否夾持到位。因鉆孔過程需要將發動機缸體鑄件水套砂芯翻轉,因此夾具設計時增加外部軸,以滿足生產要求。

發動機缸體鑄件水套砂芯產品種類多,質量、外形差異大,切換、混流頻繁,機器人夾具采用柔性設計,可以兼容多種發動機缸體鑄件水套砂芯型號,節約夾具成本和更換時間。

2.4 鉆孔系統

鉆孔系統主要由鉆孔電機、砂芯胎具、鉆孔平臺等組成。鉆孔系統克服人工鉆孔的多種缺點,在質量和效率方面提升比較大。鉆孔系統采用六鉆頭設計,在滿足生產節拍的前提下,能夠自動調整鉆頭檔距來適應不同的打孔距離,即使四個或六個鉆孔距離為非均布狀態也能兼容,為后期產品拓展提供良好的兼容性。采用伺服模組自動控制調整檔距,能夠滿足鉆孔精度的要求。鉆孔電機設計有承受軸向力的機構,可更好地保護鉆孔電機,延長鉆孔電機的使用壽命。

鉆孔電機的選型對于鉆孔系統的運行穩定性、鉆孔速度、鉆孔質量至關重要。根據施加在鉆孔電機上的負載、運行速度、系統分辨率等條件,選擇鉆孔電機。最大轉矩影響鉆孔電機的加減速時間常數,使用式(1)估算線性加減速時間常數ta,確定鉆孔電機最大轉矩,最終確定鉆孔電機容量。

ta=95.5n(JL+JM)(0.8Tmax-TL)

(1)

式中:n為鉆孔電機設定速度,r/min;JL為鉆孔電機軸換算負載慣量,kg·cm2;JM為鉆孔電機慣量,kg·cm2;Tmax為鉆孔電機最大轉矩,N·m;TL為鉆孔電機軸換算負載轉矩,N·m。

2.5 照相識別系統

照相識別系統由500萬像素二維智能工業相機、相機支架、高亮光源組成。照相識別系統負責機器人對發動機缸體鑄件水套砂芯的定位抓取。二維智能工業相機的分辨率為2 500像素×2 000像素,拍攝速度為53幀/s,圖像處理存儲器的內存為512 MiByte。

照相識別系統通過In-Sight Explorer軟件對所有型號發動機缸體鑄件水套砂芯拍照標定特征點,建立模板,用于生產時與實際發動機缸體鑄件水套砂芯進行拍照對比。

二維智能工業相機和高亮光源安裝在相機支架上,當輥道輸送發動機缸體鑄件水套砂芯至工作區域后,二維智能工業相機進行拍照識別定位,并將定位數據發送至機器人。機器人根據發動機缸體鑄件水套砂芯定位數據自動調整抓取姿態,抓取完成后進行自動鉆孔。照相識別系統能夠輔助機器人實現對輥道線上來料發動機缸體鑄件水套砂芯的精準抓取,可用于不同品種發動機缸體鑄件水套砂芯的定位,采集圖像時不受發動機缸體鑄件水套砂芯表面工況影響,具有性能穩定、定位周期短、定位精度高等優點。

2.6 信息識別系統

信息識別系統包括射頻識別讀寫碼器、載碼體等。射頻識別的主要優點是在生產過程中使用者可以讀取載碼體中存取的真實數據信息,并且在整個生產過程中可以進行重復讀寫覆蓋。在整個生產過程中,發動機缸體鑄件水套砂芯的生產信息會存儲至載碼體內。

射頻識別讀寫碼器安裝在機器人工作區域托盤輸送輥道下方的合適位置,載碼體安裝在每個托盤上,便于射頻識別讀碼器讀取發動機缸體鑄件水套砂芯信息。生產時,托盤到達機器人工作區域,信息識別系統讀取載碼體內信息,即托盤上發動機缸體鑄件水套砂芯的型號等參數?？删幊绦蚩刂破鲗l動機缸體鑄件水套砂芯型號傳輸至機器人,機器人調取相應抓取程序。

2.7 安全系統

安全是企業生存發展的必要條件之一,為保護生產人員及設備的安全,所有裸露的運動部位均采用可靠的安全防護措施,最大限度杜絕安全隱患存在。工廠現場如圖3所示。

圖3 工廠現場

安全系統為機器人自動鉆孔提供安全防護,由安全圍欄、安全鎖及相應的控制程序等組成。在設備的關鍵部位安裝急停按鈕,以備出現突發情況時緊急停車使用。任何安全門一旦打開或急停按鈕被按下,整個生產線將緊急停止。操作人員只有關閉安全門,按動操作盤開啟鍵,生產線才能重新啟動。所有安全條件滿足后,操作人員按下確認按鈕,才能重新啟動設備,開始生產。

對機器人自動鉆孔系統和托盤輸送輥道進行互鎖,并對機器人和托盤輸送輥道進行檢測、防護,保證發生意外時可以及時停止機器人與托盤輸送輥道運行。

3 控制系統

控制系統采用西門子S7-300可編程序控制器,利用ProfiNet通信方式實現機器人與其它智能設備進行信號交互,分別設立獨立定義的網際協議地址。

托盤輸送輥道上的托盤自動到位停止,且通過檢測信號來完成發動機缸體鑄件水套砂芯的輸送過程,并觸發射頻識別讀寫碼器讀取載碼體內信息,由二維智能工業相機進行定位。

可編程序控制器通過ProfiNet通信方式控制二維智能工業相機,并傳回發動機缸體鑄件水套砂芯坐標,再控制機器人完成抓取,運行至鉆孔工位?？刂葡到y流程如圖4所示。

圖4 控制系統流程

托盤到達工作區域,射頻識別讀寫碼器讀取載碼體內信息,確定托盤上發動機缸體鑄件水套砂芯型號等參數?？删幊绦蚩刂破鲗l動機缸體鑄件水套砂芯型號傳輸至機器人,機器人調取相應抓取程序。機器人進行拍照定位,與模板對比無偏差后,機器人抓取一件發動機缸體鑄件水套砂芯,鉆孔機構對發動機缸體鑄件水套砂芯進行鉆孔。之后,機器人將鉆孔完畢的發動機缸體鑄件水套砂芯放至另一側轉運線上。鉆孔作業完成后,可編程序控制器通過控制射頻識別讀寫碼器,寫入發動機缸體鑄件水套砂芯型號、鉆孔時間等參數。

4 結束語

所設計的機器人自動鉆孔系統采用機器視覺識別技術,實現發動機缸體鑄件水套砂芯的視覺識別、抓取、自動鉆孔。機器人自動鉆孔系統已投入日常生產,運行穩定可靠。機器人代替人工正常工作,人工手動鉆孔效率為每盤30 s,機器人自動鉆孔系統效率為每盤27 s,生產效率提高10%。相較于人工鉆孔,機器人自動鉆孔系統質量一致性更好。人工鉆孔鉆偏導致發動機缸體鑄件水套砂芯廢品率為0.8%,機器人自動鉆孔系統則降至0.5%以下。

機器人自動鉆孔系統的應用,極大提升了鉆孔效率,適用不同孔距的發動機缸體鑄件水套砂芯,降低人工成本,克服鉆孔一致性差的問題,保證了鉆孔質量。機器人自動鉆孔系統對發動機缸體鑄件水套砂芯的鉆孔實現了自動化、無人化、智能化,在發動機缸體鑄件水套砂芯自動鉆孔領域具有良好的應用前景。