焊接線外置機(jī)器人抓手切換自動(dòng)化方案

徐文康

（廣汽乘用車有限公司 技術(shù)中心，廣東 廣州 511434）

隨著焊裝生產(chǎn)線共線生產(chǎn)車型增多，機(jī)器人抓手存放庫(kù)位達(dá)到飽和，部分抓手只能放置線外，需解決外置抓手的自動(dòng)化切換問(wèn)題。解決自動(dòng)化切換，關(guān)鍵在于解決抓手存放車的自動(dòng)定位與電氣對(duì)接問(wèn)題，并通過(guò)電信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)智能控制。

1 整體構(gòu)想

本案例采用抓手存放車實(shí)現(xiàn)抓手的線外存放，如圖1所示，抓手存放車上有定位夾緊裝置， 能夠?qū)崿F(xiàn)抓手的精確定位和恒久夾緊。抓手存放車定位裝置具有定位夾緊裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)抓手存放車的精確定位，抓手存放車定好位之后，其上的抓手也獲得精確的位置，供機(jī)器人按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行抓手的拾取或存放。抓手存放車與定位裝置精確對(duì)接后，通過(guò)氣路接通裝置能夠?qū)崿F(xiàn)抓手存放車氣路通氣，通過(guò)無(wú)線耦合能夠?qū)崿F(xiàn)抓手存放車的檢測(cè)信號(hào)傳輸至線體可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），從而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)抓手存放車的氣路控制，根據(jù)程序設(shè)定控制氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)閉與打開(kāi)。抓手存放車與抓手存放車定位裝置布置了傳感器，通過(guò)感應(yīng)器反饋的信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)智能化控制。

圖1 整體構(gòu)想圖

2 定位方式設(shè)計(jì)

2.1 抓手存放車對(duì)抓手的定位方式

抓手結(jié)構(gòu)如圖2所示，其采用定位面1、定位面2、定位銷1、定位銷2分別與抓手存放車支撐面2、支撐面1、定位孔2、定位孔1進(jìn)行對(duì)接定位，如圖3所示，使得抓手在上、下、前、后、左、右6個(gè)方向獲得精確定位。抓手存放車在支撐面1與定位孔2相應(yīng)位置分別自帶氣缸壓緊機(jī)構(gòu)，抓手放置到位，氣缸壓緊機(jī)構(gòu)緊接著壓緊抓手2個(gè)對(duì)角，氣缸帶斷氣自鎖裝置，即使在斷氣 條件下，仍然具備強(qiáng)大的壓緊力，從而使抓手可 靠固定在抓手存放車上，移動(dòng)時(shí)不易發(fā)生晃動(dòng)。

圖2 抓手結(jié)構(gòu)圖

圖3 抓手存放車（俯視圖）

2.2 定位裝置對(duì)抓手存放車的定位形式

圖4 抓手存放車（仰視圖）

抓手存放車推入上料口過(guò)程中通過(guò)左右兩排導(dǎo)輪（導(dǎo)輪1—導(dǎo)輪8）契合地面兩條導(dǎo)軌（導(dǎo)軌1、導(dǎo)軌2）進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，如圖4、圖5所示，運(yùn)動(dòng)到一定程度，前限位塊接觸到前限位滾輪，無(wú)法繼續(xù)向前，表明抓手存放車推入到位，此時(shí) 導(dǎo)向銷1，導(dǎo)向銷2也同時(shí)分別進(jìn)入定位滾柱3和定位滾柱4，使抓手存放車的左右方向獲得粗略的定位。接下來(lái)，后限位滾輪受氣缸4的帶動(dòng)打向后限位塊，使抓手存放車的前后方向獲得粗略的定位。最后，4個(gè)頂升氣缸（頂升氣缸1—4）同時(shí)將抓手存放車頂起，頂升氣缸的行程固定，抓手存放車頂升到一定高度后，4個(gè)限位塊（限位塊1—4）將抓手存放車限制在一個(gè)精確的高度，同時(shí)頂升氣缸3和頂升氣缸4上的定位銷分別進(jìn)入定位滾柱2和定位滾柱1，從而使抓手存放車的上、下、前、后、左、右都獲得一個(gè)精確的定位。

圖5 抓手存放車定位裝置（俯視圖）

3 氣動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

3.1 抓手存放車設(shè)計(jì)

如圖3所示，氣缸1、氣缸3主要控制兩個(gè)夾緊單元的夾緊與打開(kāi)，氣缸2主要控制抓手防塵蓋打開(kāi)與關(guān)閉。當(dāng)機(jī)器人將抓手放置到抓手存放車后，氣缸1、氣缸3控制夾緊單元夾緊抓手，機(jī)器人脫開(kāi)抓手并離開(kāi)后，氣缸2控制抓手防塵蓋關(guān)閉；當(dāng)機(jī)器人要從抓手存放車拾取抓手時(shí)，則氣缸2提前控制抓手防塵蓋打開(kāi)，機(jī)器人過(guò)來(lái)與抓手進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接完成后，氣缸1、氣缸3控制夾緊單元打開(kāi)釋放抓手，機(jī)器人開(kāi)始拾取抓手脫離抓手存放車。

3.2 抓手存放車定位裝置設(shè)計(jì)

如圖3所示，頂升氣缸1—4控制抓手存放車的上升與下降，兼具定位功能。氣缸4控制后限位滾輪擺臂動(dòng)作，主要防止抓手存放車后退，旁邊的行程開(kāi)關(guān)主要用于確認(rèn)抓手存放車是否到位。氣缸5主要用于控制氣路接通裝置輸送端與接收端進(jìn)行對(duì)接。

當(dāng)抓手需切入線體，抓手存放車推入上料口與抓手存放車定位裝置進(jìn)行對(duì)接，行程開(kāi)關(guān)在抓手存放車推入的過(guò)程中被撥開(kāi)，氣缸4解鎖，氣缸4控制后限位滾輪壓住抓手存放車后限位塊，防止抓手存放車后退。接著頂升氣缸1—4同時(shí)頂升，將抓手存放車頂起，并使其獲得精確定位。最后氣缸5控制氣路接通裝置輸送端與接收端進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)抓手存放車氣路與氣源接通。

當(dāng)抓手需脫離線體，氣缸5控制氣路接通裝置輸送端與接收端脫離，抓手存放車斷開(kāi)氣源，接著頂升氣缸1—4同時(shí)帶動(dòng)抓手存放車下降，抓手存放車落地，頂升氣缸繼續(xù)下降與抓手存放車完全脫開(kāi)，然后氣缸4控制后限位滾輪打開(kāi)，最后將抓手存放車從上料口拉出來(lái)，行程開(kāi)關(guān)在抓手存放車?yán)龅倪^(guò)程中復(fù)位，重新對(duì)氣缸4進(jìn)行鎖定。

3.3 氣路接通裝置設(shè)計(jì)

氣路接通裝置（如圖6所示）由接收端、輸送端組成，接收端固定在抓手存放車上，輸送端與氣缸5相連，通過(guò)氣缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟接收端對(duì)接與脫開(kāi)。雙導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)滿足輸送端運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生偏向。輸送端的定位銷與接收端的定位孔，實(shí)現(xiàn)輸送端的氣孔與接收端的氣孔精準(zhǔn)對(duì)接。傳感器5主要用于檢測(cè)氣路接通裝置輸送端與接收端的對(duì)接信號(hào)，當(dāng)輸送端與接收端對(duì)接即產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)，輸送端氣路解鎖，實(shí)現(xiàn)通氣。

圖6 氣路接通裝置

4 信號(hào)檢測(cè)與傳輸裝置

4.1 抓手存放車設(shè)計(jì)

如圖3所示，傳感器1、2采用對(duì)角布置，雙重檢測(cè)，主要用于檢測(cè)抓手信號(hào)。氣缸1、2、3具備狀態(tài)檢測(cè)功能，用來(lái)獲知所在機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)狀態(tài)還是關(guān)閉（夾緊）狀態(tài)。無(wú)線耦合（傳感器測(cè)）主要用于將抓手存放車檢測(cè)信號(hào)傳輸給主線，并接收從主線傳輸過(guò)來(lái)的指令，分別控制氣缸1、2、3等的動(dòng)作。

4.2 抓手存放車定位裝置

如圖3所示，傳感器3、4、6、7主要用于檢測(cè)抓手存放車頂升到位信號(hào)。傳感器5主要用于檢測(cè)氣路接通裝置的輸送端與接收端對(duì)接信號(hào)，當(dāng)輸送端與接收端對(duì)接即產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)，輸送端氣路解鎖，實(shí)現(xiàn)通氣。頂升氣缸1、2、3、4具備狀態(tài)檢測(cè)功能，用來(lái)獲知?dú)飧滋幱陧斏隣顟B(tài)還是下降狀態(tài)。行程開(kāi)關(guān)具備狀態(tài)檢測(cè)功能，用來(lái)獲知行程開(kāi)關(guān)處于被撥開(kāi)的狀態(tài)還是復(fù)原狀態(tài)。無(wú)線耦合（PLC側(cè)）主要用于將抓手存放車檢測(cè)信號(hào)傳輸給主線，并接收從主線傳輸過(guò)來(lái)的指令，分別控制氣缸1、2、3等的動(dòng)作。

4.3 無(wú)線耦合器設(shè)計(jì)

如圖7所示，無(wú)線耦合一端連接傳感器，另一端連接PLC。兩端靠近后能夠在不接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)相互傳輸。

圖7 無(wú)線耦合

5 自動(dòng)化控制方案

5.1 抓手切入線體自動(dòng)化方案

將抓手存放車推入上料口，按啟動(dòng)按鈕，當(dāng)檢測(cè)抓手存放車已經(jīng)到位，則后限位機(jī)構(gòu)壓緊抓手存放車，防止其后退，同時(shí)后限位機(jī)構(gòu)的氣缸反饋一個(gè)到位信號(hào)。4個(gè)頂升氣缸將抓手存放車頂起，同時(shí)反饋到位信號(hào)，確保抓手存放車頂升到位。氣路接通裝置輸送端與接收端對(duì)接，同時(shí)反饋對(duì)接到位信號(hào)。氣路接通裝置輸送端氣路解鎖，實(shí)現(xiàn)向抓手存放車氣路通氣。防塵罩氣缸接收指令打開(kāi)防塵罩，同時(shí)反饋打開(kāi)到位信號(hào)。機(jī)器人從Home位運(yùn)動(dòng)到抓手上方，機(jī)器人末端工具快換裝置（Automatic Tool Changer, ATC）機(jī)器人端與抓手端開(kāi)始對(duì)接，并反饋對(duì)接OK的信號(hào)。抓手存放車夾緊機(jī)構(gòu)打開(kāi)釋放抓手，并反饋完全打開(kāi)信號(hào)。機(jī)器人拾取抓手回到Home位，并提供到位信號(hào)。氣路接通裝置輸送端鎖定氣路，并反饋信號(hào)。氣路接通裝置輸送端退回，并反饋信號(hào)。頂升氣缸下降抓手存放車落回地面，并反饋信號(hào)。后限位機(jī)構(gòu)打開(kāi)，將抓手存放車?yán)錾狭峡凇?/p>

5.2 抓手從線體回收自動(dòng)化方案

將抓手存放車推入上料口，按啟動(dòng)按鈕，當(dāng)檢測(cè)抓手存放車已經(jīng)到位，則后限位機(jī)構(gòu)壓緊抓手存放車，防止其后退，同時(shí)后限位機(jī)構(gòu)的氣缸反饋一個(gè)到位信號(hào)。4個(gè)頂升氣缸將抓手存放車頂起，同時(shí)反饋到位信號(hào)，確保抓手存放車頂升到位。氣路接通裝置輸送端與接收端對(duì)接，同時(shí)反饋對(duì)接到位信號(hào)。氣路接通裝置輸送端氣路解鎖，實(shí)現(xiàn)向抓手存放車氣路通氣。機(jī)器人從Home位將抓手放到抓手存放車，抓手存放車檢測(cè)抓手是否放置到位，并反饋信號(hào)。抓手存放車夾緊機(jī)構(gòu)夾緊抓手，并反饋夾緊到位信號(hào)。機(jī)器人與抓手脫開(kāi)并回到Home位，并反饋到位信號(hào)。抓手防塵蓋關(guān)閉，并反饋氣缸到位信號(hào)。氣路接通裝置輸送端鎖定氣路，并反饋信號(hào)。氣路接通裝置輸送端退回，并反饋信號(hào)。頂升氣缸下降抓手存放車落回地面，并反饋信號(hào)。后限位機(jī)構(gòu)打開(kāi)，將抓手存放車?yán)錾狭峡凇?/p>

6 結(jié)論

本方案解決了線外機(jī)器人抓手自動(dòng)化切換的問(wèn)題，適應(yīng)了焊裝多車型共線生產(chǎn)的需求，主要帶來(lái)以下效益。

（1）操作簡(jiǎn)單，作業(yè)舒適性好。整個(gè)切換過(guò)程采用PLC自動(dòng)控制及氣路驅(qū)動(dòng)，無(wú)需人工接通氣路、打開(kāi)抓手防塵罩，或打開(kāi)夾緊機(jī)構(gòu)，只需將抓手存放車推入上料口，拍按鈕即可，杜絕了高強(qiáng)度作業(yè)。

（2）安全系數(shù)高。全程采用PLC自動(dòng)控制，每一步動(dòng)作均有信號(hào)反饋，形成閉環(huán)控制，消除人為誤判或誤操作可能性。

（3）穩(wěn)定性高，故障率低。抓手存放車采用了精確而有效的定位形式，保證抓手有良好的重復(fù)性定位，機(jī)器人能夠通過(guò)固定的運(yùn)行軌跡來(lái)拾取抓手或者放置抓手。

（4）抓手切入線體的耗時(shí)短，設(shè)備開(kāi)動(dòng)率提升。整個(gè)切換過(guò)程采用自動(dòng)連貫切換，PLC控制能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行快速處理并發(fā)出指令，氣動(dòng)元器件能夠快速響應(yīng)PLC指令并動(dòng)作，從而大大縮短切換時(shí)間。