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案例頻道 上海發(fā)那科機器人有限公司
摘要：本文以一個機床上下料應用實例，介紹機器人在智能化機床上下料應用中所涉及到的新技術，以及機器人在機床上下料領域中的應用前景。著重描述了機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運（2D視覺技術）以及3D視覺定位技術。
關鍵詞：自動柔性搬運；定位；視覺定位技術
1 前言
橋箱類零件生產具有精度高、加工工序多、形狀復雜、重量重的特點，為提高加工精度及生產效率，各重型汽車生產廠紛紛采用數(shù)控加工中心來加工此類的零部件。使用數(shù)控加工中心加工工件時，要求工件在工作臺上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。由于人工上料這類的工件具有勞動強度高、上料精度不好控制等缺點，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機器人或專機進行上下料所取代。工業(yè)機器人的應用具有重復定位精度高，可靠性高，生產柔性化，自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢。與人工相比，能夠極大地提高生產效率和產品品質；與專機相比，具有可實現(xiàn)生產的柔性化，投資規(guī)模小等特點。機器人智能化自動搬運系統(tǒng)作為減速器殼體加工的重要生產環(huán)節(jié)，已經(jīng)在國內重型汽車廠內取得成功地應用，但在國內應用還不廣泛。在國家經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的進程中，重型載重汽車的生產能力及生產力水平亟待有一個質的飛躍，而工業(yè)機器人即是提升生產力水平的強力推進器，具有廣闊的市場前景。
2 現(xiàn)場布局（見圖1）
圖1 現(xiàn)場布局
3 項目描述
該系統(tǒng)使用1臺機器人完成服務5臺機床進行上下料的作業(yè)，系統(tǒng)描述如下：
1臺FANUC R-2000iB/165F機器人：安裝于行走軸上，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的上下料動作。
1個機器人手爪：基于機器人專用手爪單元開發(fā)的手爪，非常適用于工件一致性不好的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩(wěn)定性，定位精度高、耐用性好、維護簡單的優(yōu)點。
圖2 手爪
1個長11m的行走軸：在行走軸導軌上安裝一臺工業(yè)機器人，最大運動速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機驅動，具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩(wěn)、可靠等特點，并專門設計了防塵罩，保護導軌、直線軸承以及齒條等運動部件，大大提高了可靠性和使用壽命。在實際應用中，導軌安裝于兩條生產線機床的中心線上，所安裝的工業(yè)機器人運動范圍完全覆蓋5臺機床以及上下料滑臺區(qū)域。從而實現(xiàn)了1臺機器人服務5臺機床進行上下料作業(yè)。
圖3 行走軸
2臺上下料滑臺：每個上下料滑臺上有4個托盤，每個托盤分別可以存放一個工件。實現(xiàn)待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統(tǒng)中，由于使用了視覺技術，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。
FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于手爪上的2D攝像頭完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)作為待加工工件準確抓取的定位方式，省去通常為滿足機器人的準確抓取而必須采用的機械預定位夾具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地實現(xiàn)多產品混合生產。
FANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于地面上的3D Laser Sensor完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由于待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。該技術可以自動補償位置變化，實現(xiàn)高精度上料。
圖4 3DL視覺支架
5臺抽檢滑臺：針對每臺機床有一個抽檢滑臺，實現(xiàn)隨時對該機床工件加工工件質量的檢測。
電氣控制系統(tǒng)：運用人機界面對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)系統(tǒng)中實時和非實時數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。
安全設備采用門開關，作為機器人工作區(qū)域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統(tǒng)在自動運行中的人員安全。
該套設備的應用極大地提高了產品的質量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動化水平，減少了企業(yè)的勞動力成本支出，提高了產品的市場競爭力。
4 系統(tǒng)流程
圖5 系統(tǒng)流程圖
5 無夾具定位工件的自動柔性搬運
隨著國家和社會的進步，對機械產品的加工也提出了更高的要求，促進了機床加工技術的不斷提高，同時對機床在加工過程中工件的上下料方式也提出了更高的要求，現(xiàn)代機械產品的加工具有自動化程度高、安全文明、環(huán)保性好（噪音小）、實用性強等顯著特點和優(yōu)勢，以機器人在機械加工中的自動化應用為代表，在各個加工領域的應用越來越廣，將成為現(xiàn)代機械加工的主流輔助設備。
在國外，在機械產品的加工中使用機器人已經(jīng)非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點，是一種非常成熟的機械加工輔助手段。機器人對無定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統(tǒng)）實現(xiàn)對無定位工件的準確位置判斷，在機器人收到信號后，機器人裝上為工件定制的專用手爪去可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上料請求后，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應用廣泛。使用機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運系統(tǒng)可以使生產流水線更加簡單易于維護，并大幅度降低工人的勞動強度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結構簡單、安全文明、無污染，能在各種機械加工場合進行應用，滿足了高效率、低能耗的生產要求。在國內的機械加工，目前很多都是使用專機或人工進行機床上下料的方式，這在產品比較單一、產能不高的情況下是非常適合的。但是隨著社會的進步和發(fā)展，科技的日益進步，產品更新?lián)Q代加快，使用專機或人工進行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點，一方面專機占地面積大，結構復雜、維修不便，不利于自動化流水線的生產；另一方面，它的柔性不夠，難以適應日益加快的變化，不利于產品結構的調整；其次，使用人工會造成勞動強度的增加，容易產生工傷事故，效率也比較低下，且使用人工上下料的產品質量的穩(wěn)定性不夠，不能滿足大批量生產的需求。使用機器人自動柔性搬運系統(tǒng)就可以解決以上問題，該系統(tǒng)具有很高的效率和產品質量穩(wěn)定性，柔性較高且可靠性高，結構簡單更易于維護，可以滿足不同種類產品的生產。對用戶來說，可以很快進行產品結構的調整和擴大產能，并且可以大大降低產業(yè)工人的勞動強度。在這種趨勢下，對機器人自動柔性搬運系統(tǒng)的需求會大量增加。
圖6 2DV視覺布置
圖7 2DV視覺系統(tǒng)操作流程
FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)主要是通過視覺系統(tǒng)軟件設置，建立視覺畫面上的點位與機器人位置相對應關系。對工件進行視覺成像，與已標定的工件進行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值，實現(xiàn)機器人自動抓放。該技術實現(xiàn)了機器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運。在該上下料系統(tǒng)中，待加工工件形狀復雜，用夾具進行定位非常復雜，同時不利于以后同類新產品的擴展。在應用了FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)后，待加工工件只需放置于上下料滑臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負2厘米以及旋轉正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設計工作，保證了系統(tǒng)的擴展功能。
原理：選一個待加工工件作為初始工件，通過2DV視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時工件抓取偏差值為零。當工件平移或者旋轉后，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過2DV軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機器人可以通過把偏差值PR補償?shù)匠跏甲ト∥恢脕韺崿F(xiàn)工件的抓取。
補充：在該上下料的應用中只有一種工件，當有多種工件時，2DV視覺系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工件進行多次特征標定，實現(xiàn)多種工件之間的切換調用。大大提高了系統(tǒng)的可擴展性，柔性度高。
6 3D視覺定位技術
應用于機器人上料至機床。
圖8 3DL視覺布置
圖9 3DL視覺標定畫面
攝像頭安裝位置：固定在3DL視覺支架上。
該技術解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由于加工工件為毛坯件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。對于此種情況，在沒有3DL視覺系統(tǒng)的情況下，機器人是無法實現(xiàn)對工件的準確上料。
原理：選一個毛坯件作為初始工件，通過3DL視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點位與機器人示教點位的關系進行標定，同時完成初始工件的特征標定。示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。當抓取其它毛坯件后，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過3DL軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機器人可以通過把偏差值PR補償?shù)匠跏忌狭衔恢脕韺崿F(xiàn)工件的上料。
補充：2DV是通過攝像頭計算平面變化量，3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變化量，實際上是2DV與激光技術的綜合應用。該技術的應用大大增加了系統(tǒng)設計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設計時。
7 軟浮動功能（Soft Float）
應用于工件抓取和機器人機床上、下料步驟。
該項目中機器人手爪抓取待加工工件位置在毛坯面，各個毛坯件抓取位置與定位孔位置都有差異。雖然有2DV視覺補償，但是毛坯面不能作為特征量，導致在機器人手爪抓取工件的位置在不停地變化，機器人無法補償此偏差。以下是由于毛坯面與定位孔位置變化帶來的問題。
（1）工件在托盤內，機器人抓取后，由于毛坯面帶來的偏差，導致工件在手爪抓取時有移動，偏差大時與托盤有摩擦；
（2）機器人從機床下料時，由于毛坯面帶來的偏差，導致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強硬貼合上，在工件脫離定位銷時會有嚴重的摩擦，導致碰撞報警。
說明：軟浮動功能在開啟后，機器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過參數(shù)設置。手爪在抓取毛坯件時可以根據(jù)毛坯面改變姿態(tài)，達到完全貼合，避免碰撞和摩擦。
補充：該項目中，工件定位孔與機床定位銷（錐形）之間的配合精度達到0.01毫米。機器人本身的重復精度大于0.01毫米，導致工件上料位置偏差。此時應用軟浮動功能，機器人抓取工件運行到定位銷錐度部位，由機床夾具夾緊，機器人通過軟浮動移動至上料位置，實現(xiàn)上料過程。
8 結論
隨著國家經(jīng)濟的快速增長，重型載重運輸汽車的需求在不斷地擴大，為滿足市場的需求，各重型汽車廠在不斷地積極開發(fā)新產品，并擴大原有產能。使用機器人服務加工中心組成柔性加工生產線的自動化方式逐步得到廣泛采用，從而在提高生產效率、減少人工成本、保障作業(yè)安全、提高生產品質等方面起到了顯著作用。機器人自動柔性搬運系統(tǒng)具有很高的效率和產品質量穩(wěn)定性，柔性較高且可靠性高，結構簡單，便于維護，可以滿足不同種類產品的生產，對于重型汽車生產廠家來說，可以很快進行產品結構的調整和擴大產能，同時大大降低了產業(yè)工人的勞動強度，具有廣泛的應用前景。
摘自《自動化博覽》2010年第九期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號