基于工业机器人的智能制造生产线设计

基于工业机器人的智能制造生产线设计

摘要：工业改革升级作为推动我国国民经济发展的主要驱动力，如何实现智能制造是当今我国工业改革中重点关注的问题。随着智能技术不断发展和普及，我国工业生产线也发生了很大的变化，传统硬性生产线存在生产精度低、人工投入量大、能耗高等缺点，为了能够解决这一问题，需要不断朝FMS、FMS柔性制造生产线方向发展，以工业机器人为主要操作主体，通过智能终端统一控制生产线，从而实现智能制造模式。

关键词：工业机器人；智能制造；柔性生产线；设计

中国智能制造技术已经进入高速发展期，工业机器人是生产过程的关键设备，可用于制造、装配、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车及汽车零部件、电气电子、化工等工业领域。“机器人+数控机床”组成的柔性制造单元，则是机器人在智能制造领域的典型应用。在智能制造柔性生产线中，还配置了自动上料系统和自动换夹具系统，并安装了视觉系统。当更换加工产品时，机器人做出有限调整，就可以很快进行不同产品的加工，具有较高的柔性特征。

一、概述

工业机器人是面向工业领域的一种多关节机械手、多自由度的机械装置，它可以根据软件编程实现相应的动作，依靠自身的控制力、动力实现工业生产的一种机器设备。工业机器人控制技术的核心任务就是在工作领域中的运行位置、操作流程、运行姿态与轨迹、动作时间等。机器人具有软件操作、人机交互界面、在线操作提示等功能。柔性生产线是将多个可以自动调整的机床联接起来，并配合上自动运送装置组成的生产线。整个生产线依靠计算机统一管理，将多个生产模式相结合，这样可提高生产效率、降低生产成本、提

升生产效益，做到物尽其用。

二、柔性生产线运行原理

1、确定零件加工工艺。结合不同工件生产要求，要在软件编程中制定出加工工序。比如盘套类零件，加工工艺主要包括：①应用数控机床，使用机械手上料、固定零部毛坯内孔，进行车削。②将工件翻转，用内机械手抓住毛坯内孔上料，进行车削。③使用工装装夹工件外圆，在数控加工中心上加工各个孔。

2、柔性生产线流程设计。由于机械手的抓夹范围有限，无法在一台数控机床中实现整个车削工作，生产线的每台机器只能完成一个加工工序。结合生产加工工艺确定数控机床数量，通常需要三台机床完成第一和第二流程，一台机床完成第三流程动作。整个生产线运行流程为：①在工作站系统中启动工业机器人，上料机构复位。②待到PLC信号传输到上料机构中，可以自动取出毛坯。③工业机器人到上料机构中取料，并固定在第一台机床上。④工件一侧外形车削后，发送信号指令让机器人自动取出工件。⑤工件取出后，将工件掉头固定到第二台机床上。⑥在工件另一端外形车削完成后，发送信号指令让机器人取出工件。⑦机器人取出工件之后，固定到第三台机床上。⑧在工件各个孔加工完成后，发送信号指令让机器人取回工件。⑨工件取出之后命令机器人将工件放到下料输送线上。

三、工业机器人的“智能制造”柔性生产线设计

1、结构设计

（1）生产线总体布局，需要满足产品多样性需求、节省劳动力，对整个柔性生产线设计方案进行优化和改善，并提出柔性生产线的总结构模型。对于“智能制造”柔性生产线

来说，需要有2台车床、2台加工中心、工业机器人、行走导轨、自动上料设备、下料传输线、中转台等硬件设施。以及视觉系统、设备控制系统、机器人控制系统等软件支持。在行走轨道上安装工业机器人，轨道铺设在4台数控机床与加工中心中，主要是负责取工件、上下料、放料等工作。

（2）生产线的子系统。①自动上料机构。该系统主要是负责毛坯自动上料，由取料机构、回转上料机构构成。回转上料结构回转工作台主要是凭借伺服电机、减速齿轮转动带动运行，设置工位将导柱插入到工位上，可以穿过零件。取料机构主要凭借伺服电机、滚珠丝杆实现上下平移，将取料台安装在丝杆螺母副上。取料台设施通过气缸压缩控制，实现前后收缩运动。而且每个取料台上方都安装了视觉识别系统，负责定位取料位置和确保定位精度。系统运行时，回转上料结构的回转工作台上，将导柱旋转到指定的取料工作位置后，取料机构取料台向下移动到标准的取料高度，此时手指在气缸带动下伸出穿越工件，取料台再向上运行即可在导柱上取出工件，完成整个上料环节。整个流程中，视觉系统会判定工件摆放位置和取料位置进行对比分析，将两个位置信息的偏差存储到数据库中。外部设备获取数据库中的误差信息后，即可将误差数据传递给机器人，这样即可修正机器人的取料精度，按照编程顺序将工件固定在机床上进行切削加工。②下料输送线系统。下料输送线负责将一个加工完成的工件传输到下一道工序中。采用链板传输的方法，驱动设施采用三相异步交流电机，采用减速驱动装置控制传输速率。为了保证放料位置、取料位置的精度，需要在输送线两侧各配置光电传感器，再配合上取料位上方架设的视觉系统，即可检测到取料精准位置。在下料输送线运输中，放料位置的传感器接收信号后，系统会自动开启三相异步电机，工件在输送链板上被传输到取料位。取料位传感器获得工件信息之后，三相异步电机停止驱动，向机器人发送指令要求取料。③中转台系统。中转台由台阶型V型块构成，主要是负责工件掉头装夹，也就是第一台机床切削完成，通知机器人取料后，自动换夹到工件的另一侧。此时即可将工件放置到中转台上，让机器人移动到工件另一侧抓取工件，从而实现工件翻转。

2、机器人卡爪设计

（1）卡爪结构。为了能够提升生产线的运行效率、保证生产节拍，卡爪设计主要是采用双工位设计方案。机器人没有到机床前先将未加工的零部件放置到工位上。进入工作区域后，将工件旋转180°，即可将工位上的工件安装到机床卡盘上。卡爪支架使用焊接件连接，左右位置连接套筒，卡爪驱动采用气缸方式，在气缸工作位置上安装卡爪，从而实现零部件夹持。此外，由于不同夹具适用于不同的零件夹持，为了能够确保工件的夹持要求，需要采用快换接头连接。快换接头的一头通过法兰固定在机器人相应的法兰上，另一头固定到机器人卡爪上。如果机器人运行中需要连接卡爪时，只需要将两部分连接即可运行。

（2）卡爪气路设计。采用三爪气缸实现夹持动作，并连接相应的气路。气缸压缩空气通过驱动三联件实现过滤、脱水等处理，采用四通连接管分为三个气路。其中有两条气路用于控制三爪气缸的打开和闭合，第三条气路主要是用于控制快换接头连接和断开。卡爪上三爪气缸和快换接头气路连接方法相同。采用三位五通电磁阀控制气路后，在卡爪气缸进气、出气口上连接，此时电磁阀中位即可实现断电保持作用。

结语：

工业机器人是当今工业自动化技术与应用的新生力量，随着加工效率的不断提升，越来越多的生产制造企业都将自动上下料的方式引入到实际生产中，设计智能制造柔性生产线，适用性广，大大节约人力成本，增加了加工精度，提高了生产节拍，并保证不会与其他设备形成干扰，无任何安全隐患，可得到大力的应用及推广。

参考文献：

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