基于智能制造平臺的機器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計及程序研究

廖小吉

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063299）

0 概述

智能制造產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋智能裝備(機器人、數(shù)控機床、服務(wù)機器人、其他自動化裝備)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(機器視覺、傳感器、RFID、工業(yè)以太網(wǎng))，工業(yè)軟件(ERP/MES/DCS)，3D打印以及將上述環(huán)節(jié)有機結(jié)合的自動化系統(tǒng)集成及生產(chǎn)線集成等[1]。從全球范圍來看，除了美國、德國和日本走在全球智能制造前端，其余國家也在積極布局智能制造發(fā)展。

工業(yè)機器人是智能制造業(yè)最具代表性的裝備。全球工業(yè)機器人40 年形成了約160 萬臺套裝機量，2019 年全球預(yù)計新裝工業(yè)機器人18.2 萬臺，主機市場80～100 億美元，并帶動約3 倍左右軟件集成、周邊配套設(shè)備、系統(tǒng)工程等系統(tǒng)集成市場[2-3]。

本文聚焦智能制造發(fā)展大方向，基于智能制造理念，借助三維設(shè)計軟件完成機器人相關(guān)部分硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計并基于機器人編程語言完成軟件部分程序的編制，主要涉及到機器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計及機器人快換程序的實現(xiàn)。本文搭建的軟硬件系統(tǒng)可作為智能制造系統(tǒng)的重要單元，對于智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用研究起到一定的理論推進作用。

1 機器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機器人快換夾具工作臺

機器人快換工作臺是一套智能制造系統(tǒng)中重要的組成部分，其功能是放置不同種機器人快換手爪。在智能化生產(chǎn)的排產(chǎn)中，往往會頻繁的切換工件類型，這就不僅僅需要機器人在程序上自動判斷工件類型并快速更換夾具以完成各類工件的上下料工作，同時在硬件上應(yīng)結(jié)合實際工況完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)配套。為保證機器人每次更換手爪時的示教精度問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上工作臺與機器人行走機構(gòu)的大底座精準(zhǔn)固定對接，采用雙定位銷結(jié)構(gòu)以在最大程度上確保機器人與夾具工作臺的相對位置不變；為監(jiān)測各手抓是否放置到位，每個位置配置手爪放置到位檢測傳感器，將當(dāng)前有無手抓信號反饋給PLC總控系統(tǒng)。

本文基于智能制造理念構(gòu)建的智能制造平臺將實現(xiàn)3種不同類型工件的快換操作，即φ35圓料、φ68圓料和80X80方料；在實際應(yīng)用時可根據(jù)生產(chǎn)需求，設(shè)計多種快換夾手。

圖1 工作臺整體布局

圖2 工作臺示意圖

1.2 機器人快換夾持系統(tǒng)

工業(yè)機器人快換夾持系統(tǒng)是與機器人本體緊密結(jié)合的部分，由1套機器人側(cè)快換裝置（固定安裝在機器人法蘭端不動）和3套工具側(cè)快換手爪（根據(jù)排產(chǎn)工況隨時更換）組成，實現(xiàn)3種機器人手爪的快速更換。機器人側(cè)快換裝置具備握緊、松開、有無料檢測功能，并具備良好的氣密性。機器人連接法蘭安裝到機器人第六軸端部法蘭，電模塊和氣模塊分別實現(xiàn)快換手爪與機器人側(cè)快換夾持系統(tǒng)電信號的通訊和氣路的連接。同時機器人側(cè)快換裝置在設(shè)計上配備RFID讀寫器（配套的RFID 標(biāo)簽安裝到料倉各工件位置處），實現(xiàn)對料倉地盤點及有無料的讀寫功能，與MES智能制造管理平臺實時通信，如圖3所示。

圖3 機器人側(cè)快換裝置示意圖

每套工具側(cè)快換手爪配置有擴散反射型光電開關(guān)，可檢測機器人手爪有無抓取工件狀態(tài)，電模塊和氣模塊分別實現(xiàn)與機器人側(cè)快換夾持系統(tǒng)的電信號的通訊和氣路的連接，主體結(jié)構(gòu)采用配備雙磁性開關(guān)的氣缸實現(xiàn)工件的抓取和放開，主控PLC實時采集氣缸是否加緊或張開到位狀態(tài)以及有無料狀態(tài)，并與機器人實時通信，3種快換手爪結(jié)構(gòu)分別如圖4、5所示。

圖4 工具側(cè)方料手爪示意圖

圖5 工具側(cè)棒料手爪示意圖

2 機器人夾手快換程序的實現(xiàn)

2.1 邏輯性判斷

PLC對機器人的控制即與機器人的通信經(jīng)由MES智能制造管理平臺實現(xiàn)，機器人是否需要更換夾手、更換哪個夾手由MES系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度并經(jīng)由機器人程序判斷實現(xiàn)。當(dāng)機器人收到總控PLC由MES平臺發(fā)來的換爪指令后，首先需要進行邏輯性的判斷，即是否需要更換手爪、需要更換第幾號手爪等，這些邏輯性判斷在機器人程序中實現(xiàn)。針對本平臺系統(tǒng)，大致有如下幾種情景：1）如果機器人側(cè)沒有手爪，則程序直接調(diào)用換爪程序，根據(jù)總控發(fā)來的指令去更換指定的手爪；2）如果機器人側(cè)有手爪但不是需要的手爪，則主程序先調(diào)用放爪程序，將現(xiàn)有手爪放回工具側(cè)指定位置后再調(diào)用換爪程序，根據(jù)總控發(fā)來的指令去更換指定的手爪；3）如果機器人側(cè)有手爪且正是需要的手爪，則不用調(diào)用換爪程序，直接往下執(zhí)行主程序即可。

2.2 手爪快換程序

手爪快換子程序涉及到放爪子程序和換爪子程序2個。比如當(dāng)前機器人側(cè)手爪號為1，而系統(tǒng)發(fā)來的命令是抓取2號工件，則在機器人程序上首先調(diào)用放爪子程序E1,完成放爪任務(wù)后再調(diào)用換爪子程序E，將機器人側(cè)更換為2號手爪，然后再往下執(zhí)行主程序其他指令。

主體示教程序（main）如下：

IF IR[10]=0 THEN “沒有爪則直接換”

CALL E “調(diào)用換爪程序”

END IF

IF IR[10]=1 AND IR[21]＜＞1 THEN “有1號爪且需要換其它爪，先放回再換”

CALL E1 “調(diào)用放爪程序”

CALL E

END IF

……

在機器人示教器中完成程序編制如圖6所示。

圖6 快換主程序

在主程序循環(huán)過程中，當(dāng)條件滿足時會自動調(diào)用換爪子程序，在換爪子程序中比較關(guān)鍵的是換爪精確點P1的判斷，也就是說當(dāng)機器人收到不同指令時會得到不同的換爪位置，即P1會賦不同的值。例如，主控程序給機器人的指令是換1號爪，則機器人程序中P1的賦值數(shù)據(jù)就是1號爪正上方的位置信息，此過程的完成需要主控PLC與機器人之間相互通訊。

換爪子程序（sub）如下：

P1點計算

IF IR[21]=1 THEN

P1 = LR[31] “ 1號爪精確點”

END IF

IF IR[21]=2 THEN

P1 = LR[30] “2號爪精確點”

END IF

……

IF IR[21]＜＞0 THEN

MOVE ROBOT JR[12] “快換過渡點”

MOVE ROBOT P1+LR[10]

MOVES ROBOT P1 VTRAN=130 “快換精確點”

MOVES ROBOT #{0,0,15,0,0,0} ABS=0“開始更換手爪”

……

在機器人示教器中完成程序編制如圖7所示。

圖7 快換子程序

在快換子程序中，P1點為工作臺正上方各夾手對應(yīng)的快換精確位置，在機器人程序中通過公式計算自動賦值。通過以上示教程序，實現(xiàn)了本系統(tǒng)的手爪快換功能。

機器人手爪快換程序的實現(xiàn)是整個智能制造環(huán)節(jié)中比較關(guān)鍵的一步，確保了生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化。同時，合理、精簡的機器人快換程序也是整個智能制造系統(tǒng)處于高水準(zhǔn)的有力保障。

3 結(jié)語

本文基于智能制造理念，借助三維設(shè)計軟件完成了機器人快換夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，包含快換夾具工作臺和機器人端快換夾持系統(tǒng)部分，并基于機器人編程語言通過示教編程實現(xiàn)了機器人端夾具的自動快換功能。本文搭建的系統(tǒng)可作為智能制造系統(tǒng)的重要單元，對于智能制造系統(tǒng)的研究應(yīng)用起到一定的理論推進作用。