□ 馬震宇

英華達(dá)(上海)科技有限公司 上海 201114

1 設(shè)計背景

目前,大型代工企業(yè)都在用機(jī)器人來逐步取代人工勞動力。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展和市場環(huán)境的變革,企業(yè)對機(jī)器人智能化解決方案提出了越來越高的要求,固定式機(jī)器人解決方案在發(fā)展中遇到瓶頸,未來工業(yè)生產(chǎn)需要的是豐富多樣的新型模塊化移動式解決方案。

以筆者公司為例,筆者公司主要代工快速消費(fèi)類電子產(chǎn)品,產(chǎn)品更新迭代速度快,從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用角度考慮,不可能像汽車生產(chǎn)領(lǐng)域那樣布設(shè)一整條自動化流水線。較為適合的方案是在某一個工站位用機(jī)器人代替人工。通過試運(yùn)行發(fā)現(xiàn),如果一個工站位的機(jī)械臂能夠代替兩個工人,那么能夠較快收回投資成本?；谏鲜錾a(chǎn)背景,帶有機(jī)械臂的自動導(dǎo)引車移動工站在工業(yè)4.0生產(chǎn)環(huán)境中有較大需求。

由于生產(chǎn)線上的工件通常隨機(jī)放置在輸送帶、貨架、地面等處,而固定安裝在自動導(dǎo)引車上的機(jī)械臂其工作范圍有限,因此在實(shí)際操作過程中,通常會發(fā)生工件處于機(jī)械臂工作范圍之外的情況,此時需要額外移動自動導(dǎo)引車,或者人工拾取工件并置于機(jī)械臂工作范圍內(nèi),給生產(chǎn)作業(yè)帶來不便,降低作業(yè)效率,同時造成人力成本浪費(fèi)。對此,筆者設(shè)計了擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的自動導(dǎo)引車移動工站,以滿足無人自動化生產(chǎn)線的要求。

2 單元生產(chǎn)線分析

單元生產(chǎn)線是一種小型生產(chǎn)方式,具有建立容易、調(diào)整方便、切換時間短、彈性強(qiáng)、大型設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)。單元生產(chǎn)線與傳統(tǒng)生產(chǎn)線的一個重要區(qū)別是流程設(shè)計。傳統(tǒng)生產(chǎn)線布局如圖1所示,需要很多工人協(xié)作生產(chǎn),每位工人收到的是半成品,完成所負(fù)責(zé)環(huán)節(jié)的工作之后,傳遞到下一個環(huán)節(jié)的還是半成品,一直到生產(chǎn)流水線的最后一位工人完成工作,產(chǎn)品組裝才全部完成。傳統(tǒng)生產(chǎn)線整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要幾十乃至上百位工人參與,每位工人只做屬于自己負(fù)責(zé)的一小部分工作。單元生產(chǎn)線布局如圖2所示,要求工人以個人或三五人小組為單元,獨(dú)立完成傳送帶的全部作業(yè),將半成品加工為成品,再傳遞至下一個環(huán)節(jié)。

▲圖1 傳統(tǒng)生產(chǎn)線布局

當(dāng)市場訂單增加導(dǎo)致作業(yè)工時增加時,單元生產(chǎn)線可以根據(jù)作業(yè)工時增加的幅度,隨時增設(shè)工人。當(dāng)市場訂單減少時,單元生產(chǎn)線也可以根據(jù)作業(yè)工時減少的幅度,隨時抽減工人。相較傳統(tǒng)生產(chǎn)線,單元生產(chǎn)線的生產(chǎn)率有明顯提高,機(jī)種切換的時間明顯縮短,滿足快速制造的要求。

▲圖2 單元生產(chǎn)線布局

單元生產(chǎn)線的特點(diǎn)是所有工序由較少工人使用小規(guī)模設(shè)備逐個或小批量對應(yīng)生產(chǎn),對品質(zhì)、納期、成本等負(fù)有責(zé)任。筆者公司為了適應(yīng)柔性化生產(chǎn),已經(jīng)將一部分生產(chǎn)線由傳統(tǒng)生產(chǎn)線改為單元生產(chǎn)線。單元生產(chǎn)線中,工人需要熟練掌握電焊、裝配、點(diǎn)膠、不良品外觀識別、測試、搬運(yùn)等技能。

3 移動工站設(shè)計

在單元生產(chǎn)線中,可以采用移動工站代替多技能工人,代替方案如圖3所示。

▲圖3 移動工站代替方案

原有生產(chǎn)線中,傳統(tǒng)自動化工站如圖4所示,其中機(jī)械臂、抓取冶具、測試冶具都固定在生產(chǎn)線上。因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品更新周期較快,經(jīng)常產(chǎn)生停線、換線等問題,機(jī)械臂等固定在生產(chǎn)線上導(dǎo)致資源浪費(fèi)。采用自動導(dǎo)引車移動工站,可以避免上述問題,并便于實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

▲圖4 傳統(tǒng)自動化工站

移動工站應(yīng)具有如下功能:

(1) 能夠移動,可以切換至不同生產(chǎn)線上的站位;

(2) 移動工站中自動引導(dǎo)車攜帶機(jī)械臂;

(3) 具有多種電源和氣源接口,能夠配合機(jī)械臂上的電動夾具、氣動夾具,以及生產(chǎn)線上的生產(chǎn)冶具等設(shè)備使用;

(4) 自動導(dǎo)引車相關(guān)設(shè)備模塊化,能夠迅速按照需求進(jìn)行更換;

(5) 加裝擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的裝置,以便替代工作范圍較大但價格較貴的機(jī)械臂,降低生產(chǎn)成本。

4 機(jī)械臂工作范圍研究

在單元生產(chǎn)線工作時,一般移動工站都停止不動,必然存在機(jī)械臂工作范圍無法涉及的區(qū)域,對此需要對移動導(dǎo)軌在X、Y、Z方向進(jìn)行延伸,以便滿足作業(yè)的需求。

常用的擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的方案有三種,分別為直線導(dǎo)軌、環(huán)形旋轉(zhuǎn)、液壓升降。直線導(dǎo)軌方案如圖5所示,環(huán)形旋轉(zhuǎn)方案如圖6所示,液壓升降方案如圖7所示。

▲圖5 直線導(dǎo)軌方案

▲圖6 環(huán)形旋轉(zhuǎn)方案

▲圖7 液壓升降方案

選用UR3機(jī)械臂,如圖8所示。這是一種小型協(xié)作式桌面機(jī)械臂,適用于輕型裝配作業(yè)和自動化作業(yè)臺等場合,質(zhì)量僅11 kg,但有效載荷可達(dá)3 kg,所有手腕關(guān)節(jié)均可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn),末端關(guān)節(jié)可無限旋轉(zhuǎn),建議工作半徑為500 mm,最大工作半徑為572.75 mm。

▲圖8 UR3機(jī)械臂

若采用直線導(dǎo)軌方案,導(dǎo)軌行程為300 mm,結(jié)構(gòu)如圖9所示。

▲圖9 直線導(dǎo)軌方案結(jié)構(gòu)

對直線導(dǎo)軌方案機(jī)械臂工作范圍進(jìn)行評估,如圖10所示。在不放置直線導(dǎo)軌的情況下,機(jī)械臂居中設(shè)置,工作范圍不足1/2生產(chǎn)線距離。設(shè)置直線導(dǎo)軌后,機(jī)械臂工作范圍基本可以覆蓋生產(chǎn)線。

▲圖10 直線導(dǎo)軌方案機(jī)械臂工作范圍評估

若采用環(huán)形旋轉(zhuǎn)方案,環(huán)形旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖11所示,動作過程如下:

(1) 對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行角度進(jìn)給;

(2) 縮回氣缸,從分度齒輪的槽中拆下分度卡爪;

(3) 伸出氣缸,棘爪卡住棘輪齒輪,分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動,拉伸彈簧始終將棘爪壓在棘輪齒輪上;

(4) 采用旋轉(zhuǎn)定位,將分度卡爪插入分度齒輪的槽中;

(5) 縮回氣缸,帶動機(jī)械臂至下一個分度圓位置。

▲圖11 環(huán)形旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

對環(huán)形旋轉(zhuǎn)方案機(jī)械臂工作范圍進(jìn)行評估,如圖12所示。設(shè)置環(huán)形旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前,機(jī)械臂的工作范圍為1/2生產(chǎn)線距離。設(shè)置環(huán)形旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)后,機(jī)械臂工作范圍基本可以覆蓋生產(chǎn)線。

▲圖12 環(huán)形旋轉(zhuǎn)方案機(jī)械臂工作范圍評估

采用液壓升降方案,機(jī)械臂工作范圍如圖13所示。機(jī)械臂原本無法抓取地面上的物體,通過增加液壓升降平臺后,機(jī)械臂可以抓取地面上的物體。

▲圖13 液壓升降方案機(jī)械臂工作范圍

5 生產(chǎn)線冶具的應(yīng)用

生產(chǎn)線冶具種類較多,可以按照用途和大小進(jìn)行模組化設(shè)計,安裝至自動導(dǎo)引車頂部。根據(jù)需要,自動導(dǎo)引車和生產(chǎn)線冶具可以進(jìn)行組合,構(gòu)成適用于各種生產(chǎn)線的移動工站。自動導(dǎo)引車與生產(chǎn)線冶具組合如圖14所示。

▲圖14 自動導(dǎo)引車與生產(chǎn)線冶具組合

生產(chǎn)線中常用的生產(chǎn)線冶具有貼附保護(hù)膜冶具、組裝冶具、音頻測試冶具、印制電路板測試冶具等,其中印制電路板測試冶具如圖15所示。

▲圖15 印制電路板測試冶具

印制電路板測試過程如下:

(1) 印制電路板放入位于A點(diǎn)位置的印制電路板針盤;

(2) 印制電路板針盤通過由氣缸驅(qū)動的直線導(dǎo)軌移動至B點(diǎn)位置;

(3) 位于B點(diǎn)位置的印制電路板針盤下壓,內(nèi)部探針下壓至印制電路板測試點(diǎn),開始測試,一般測試時間為30 s至幾分鐘;

(4) 測試完成,位于B點(diǎn)位置的印制電路板針盤上抬,通過直線滑軌回到A點(diǎn)位置;

(5) 系統(tǒng)顯示印制電路板測試結(jié)果。

6 移動工站應(yīng)用場景

應(yīng)用擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的自動導(dǎo)引車移動工站后,通過智能化工廠交管系統(tǒng)對安裝于機(jī)械臂第六軸的生產(chǎn)線冶具進(jìn)行更換,通過地面二維碼將自動導(dǎo)引車導(dǎo)引到正確位置進(jìn)行作業(yè)。地面上離散鋪設(shè)二維碼,自動導(dǎo)引車車載攝像機(jī)掃描并解析二維碼,獲取實(shí)時坐標(biāo)。基于二維碼的復(fù)合導(dǎo)航方式目前被廣泛使用,優(yōu)點(diǎn)為鋪設(shè)和改變路徑方便,缺點(diǎn)是二維碼易磨損,需定期維護(hù)。

移動工站應(yīng)用場景如圖16所示,自動導(dǎo)引車導(dǎo)引流程如圖17所示。

▲圖16 移動工站應(yīng)用場景

▲圖17 自動導(dǎo)引車導(dǎo)引流程

擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的自動導(dǎo)引車移動工站布局如圖18所示。

▲圖18 移動工站布局

將測試合格的印制電路板放入輸送線,將測試不合格的印制電路板放入自動導(dǎo)引車2的托盤中,自動導(dǎo)引車1托盤中放置的是待測印制電路板。

機(jī)械臂實(shí)際工作范圍如圖19所示,機(jī)械臂由C點(diǎn)移動至D點(diǎn),作業(yè)范圍能夠覆蓋自動導(dǎo)引車2的托盤區(qū)域;機(jī)械臂由D點(diǎn)移動至C點(diǎn),作業(yè)范圍能夠覆蓋輸送線。

▲圖19 機(jī)械臂實(shí)際工作范圍

移動工站作業(yè)流程如圖20所示。

▲圖20 移動工站作業(yè)流程

7 物理樣機(jī)驗(yàn)證

擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的自動導(dǎo)引車移動工站硬件主要由控制系統(tǒng)、周邊系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成,其中,控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器、減速機(jī)、運(yùn)動控制器、半懸掛系統(tǒng)、麥克納姆輪等組件,周邊系統(tǒng)包括激光導(dǎo)航雷達(dá)、六軸機(jī)械臂、直線導(dǎo)軌、攝像機(jī)、氣動系統(tǒng)、激光避障傳感器、揚(yáng)聲器、警示燈、碰撞防護(hù)傳感器等組件,電源系統(tǒng)包括電池、直流-直流電源、交流-直流電源、自動充電樁等組件。移動工站軟件主要由底盤控制系統(tǒng)、交管系統(tǒng)、激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)、二維碼導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺辨識系統(tǒng)、機(jī)械臂控制系統(tǒng)等組成,各系統(tǒng)通過總體控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào),完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)。軟件系統(tǒng)可以由工廠內(nèi)部云系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接,具有自動導(dǎo)引車調(diào)度優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)預(yù)測、運(yùn)行記錄分析等功能。

研發(fā)移動工站物理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證現(xiàn)場如圖21所示。驗(yàn)證內(nèi)容為對貼有不同二維碼的包裝盒進(jìn)行分類,根據(jù)二維碼分別放入生產(chǎn)線1和生產(chǎn)線2,驗(yàn)證過程如下:

▲圖21 移動工站物理樣機(jī)驗(yàn)證現(xiàn)場

(1) 移動工站收到指令,攝像機(jī)開始拍攝包裝盒二維碼;

(2) 自動導(dǎo)引車通過導(dǎo)航行駛至生產(chǎn)線2,通過機(jī)械臂將包裝盒放入生產(chǎn)線2;

(3) 自動導(dǎo)引車通過導(dǎo)航行駛至生產(chǎn)線1,機(jī)械臂通過直線導(dǎo)軌移動,將工作范圍內(nèi)的包裝盒放入生產(chǎn)線1;

(4) 自動導(dǎo)引車回到原點(diǎn)。

移動工站物理樣機(jī)驗(yàn)證時,各系統(tǒng)工作流程如圖22所示。

▲圖22 移動工站物理樣機(jī)各系統(tǒng)工作流程

8 結(jié)束語

在智能化工廠向工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型的過程中,面臨快速消費(fèi)類產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品更新快等特點(diǎn),需要將傳統(tǒng)生產(chǎn)線升級為單元生產(chǎn)線,并在單元生產(chǎn)線中由機(jī)器人代替工人進(jìn)行操作。

筆者針對現(xiàn)有機(jī)械臂固定于生產(chǎn)線,工作范圍較小等問題,設(shè)計了擴(kuò)大機(jī)械臂工作范圍的自動導(dǎo)引車移動工站。通過研發(fā)物理樣機(jī),驗(yàn)證了這一移動工站的合理性。

這一移動工站突破了單元、工種、區(qū)域的限制,在工業(yè)4.0生產(chǎn)環(huán)境中具有實(shí)用價值。