基于工业机器人的配电柜框架自动压装线设计_陈婉华.pdf

第1期机电技术机电技术基于工业机器人的配电柜框架自动压装线设计基于工业机器人的配电柜框架自动压装线设计陈婉华（长泰职业技术学校，福建 漳州 363000）摘要为提高产品的压装效率，对工业机器人的上、下料技术及搬运技术的应用展开了研究。针对加工对象，设计了机器人手爪机构及工业机器人的工作流程、PLC接口等关键问题的解决方案。实验结果表明：对工业机器人的合理布局能够极大简化整个流水线的机械设计，同时也保证了流水线的工作节拍。关键词FANUC机器人；自动压装；机器人手爪中图分类号：TP242.2文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-035-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.010作者简介：陈婉华（1986），女，讲师，硕士，主要研究方向为机械设计制造。20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人，在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、压装机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人均已被大量采用。随着我国工业自动化、智能化的发展加速，工业机器人的应用普及也带来了市场的急剧增长。FANUC作为全球领先的工业机器人制造商，引领着全球工业的自动化进程。当全球企业无一例外面对“成本上涨”的挑战时，FANUC帮助客户提高生产效率和生产质量、降低了人力消耗，旨在通过完善的技术成为节能领域的先锋和支持者1-3。本文介绍了FANUC机器人在配电柜压装生产线上的应用过程，采用FANUC机器人实现框架拾取定位、螺钉自锁、立起下线等一系列操作。通过合理地设计夹具手爪，规划机器人运动轨迹，运用工业机器人搬运技术，高效率、高精度地实现产品的压装自动化。1配电柜框架自动压装线设计1.1产品工艺要求该压装线设计的目标对象是某配电柜框架，产品结构如图 1 所示。对该产品的形位公差要求：1）预装好的主框架（AB面）对角误差1.5 mm、平面度 2 mm；2）主副杆的直线度不得超过每米0.3 mm；3）预装好的主框架（AB 面）榫头形位公差1.5 mm；4）各连接块的表面不得有影响安装的缺陷；5）预制好的主副杆上的连接块位置度公差为0.5 mm；6）整线设计节拍12分钟。A面框架B面框架连接杆副框架深度尺寸:400 1500 mm副框架位置和尺寸依据产品设计不同宽度尺寸:600 1200 mm高度尺寸:1600 2200 mm图图1 1配电柜框架结构示意图配电柜框架结构示意图1.2FANUC机器人压装线总体布局FANUC 机器人是一种基于工业标准开发、设计的关节臂式机器人，由伺服电动机驱动的机械机构组成，各环节每一个结合处为一个关节点或坐标系。根据产品的工艺要求和机器人功能描述，该自动 压 装 生 产 线 配 置 了 5 台 FANUC 机 器 人（R1R5）。其中R1和R5选用的是FANUC RobotR-2000iC，R24选用的是FANUC Robot M-20iA。该配电柜框架自动压装线能够实现配电柜框架的自动压装，采用多工位流水协同工作，分为框架送料工位、主框架压装工位、副框架压装工位、手工压装工位、框架起竖工位，在各工位配置相应的机器人，R1机器人将A、B面框架放入压机两侧并利用352023年1月机电技术机电技术机器人视觉定位空间位置，然后R1、R2机器人各夹持两根主杆，利用压机将框架压装完成，R2机器人再用螺钉枪固定螺钉；R3、R4机器人夹持副框架压装，并由R4机器人带螺钉枪拧紧固定螺钉；2个手工压装工位工人用手动螺钉枪压装其他附属小零件；R5机器人将整体框架翻转竖起来，并放置到输出转运车上，由AGV或人工推出。流水线整体结构的平面设计和立面图如图2、3所示。图图2 2压装流水线整体结构平面图压装流水线整体结构平面图R2机器人R3、4机器人R5机器人框架起竖工位框架送料工位主框架压装工位副框架装配工位手工装配工位手工装配工位R1机器人图图3 3压装线整体结构立面图压装线整体结构立面图1.3压装线工位的工艺流程根据对各工位的功能描述，各工位的流程设计如图4所示。线外预装好的A/B框架、主杆由人工按顺序摆放在送料车上,且送至指定位置振动料斗输送螺丝机器人 接受产品型号信号机器人分别抓取左右A/B框架视觉检测R1/R2机器人分别抓取两根主杆到位压装机动作,把榫头压入主杆R2机器人拾取螺钉并在相应位置拧紧螺钉框架输送至副框架自动装配工位a）主框架自动压装工艺流程图线外预装好的副支撑杆由人工按顺序摆放在送料车上,且送至指定位置振动料斗输送螺丝由输送机将预装的主框架送至副框架自动装配工位视觉判断R3机器人分别抓取副支撑杆并移动到相应的位置R4机器人拾取螺钉并在相应位置拧紧螺钉框架输送至人工装配工位框架输送至装配工位人工装配有关附件R5机器人抓取立起移动至成品搬运区成品搬运车移出作业区域b）副框架自动压装工艺流程图c）人工压装工位及下线工位工艺流程图图图4 4压装线各工位工艺流程图压装线各工位工艺流程图1.4压装线系统功能1.4.1主框架自动压装工位下达框架压装任务给框架生产线，线外预装好的主框架、主杆由人工按顺序摆放在送料车上，且送至指定位置。R1机器人从原位运动至A、B面框架台车位置，R1机器人对A、B面框架进行视觉识别探测，R1机器人用工具抓取A、B面框架，R1机器人抓着A、B面框架运动至压装机放置位置；R1机器人运动至主杆送料台抓取位置，R1和R2机器人用工具分别抓取主杆，R1和R2机器人抓着主杆运动至压装机相应位置，压装机动作将榫头压入主杆，R1机器人回到原位，R2机器人回36第1期原位放下抓手；R2机器人运动到螺钉枪放置位置拿起螺钉枪后运动至振动料斗的位置，R2机器人抓取螺钉后运动至框架相应位置，R2机器人锁紧螺钉；R2机器人运动至螺钉枪放置位置放下螺钉枪后回到原位拿起抓手并在原位等待。压装机动作释放主框架，输送机启动将主框架送至下一工位。1.4.2副框架自动压装工位由输送机将预装的主框架送至副框架自动压装工位，线外预装好的副支撑杆（副杆）由人工按类型、顺序摆放在送料车上，且送至指定位置。主框架定位机构动作夹紧主框架，R3或R4机器人从原位运动至主框架其中一个角的位置，R3或R4机器人对主框架进行视觉识别探测，R3机器人运动至支撑杆送料台抓取位置，R3机器人用工具抓取支撑杆，R3机器人抓着支撑杆运动至副杆压装相应位置；R4机器人运动至振动料斗的位置，R4机器人抓取螺钉，R4机器人抓着螺钉运动至框架相应位置，R4机器人锁紧螺钉，R3、R4机器人回到原位，主框架定位机构释放，输送机启动将柜体框架送至下一工位。1.4.3人工压装工位及下线工位框架由输送机送至人工压装位，工人手工压装其余附件，手动锁紧螺钉。框架由输送机送至框架立起下线工位，R5机器人抓取框架立起，移动至成品搬运车，成品搬运车移出作业区域。2工业机器人使用中的关键问题及解决方案2.1机器人手爪设计机器人手爪是可以实现类似人手功能的机器人部件，是一种重要的执行机构，用于握持工件或者工具。R1机器人的手爪主要是将A、B两片主框架从物料小车取出，并将其预装在压机两侧定位，故考虑采用磁力吸附的方式，而且要能最大限度的兼容多品种规格。该机器人机械手爪的特点是：1）结构简单紧凑，质量轻，工作可靠，能够稳定抓取，工作效率高；2）手爪U型切槽可增加抓取的自适应能力，能够满足不同框架的尺寸要求。R1机器人手爪设计如图5所示。R2机器人手爪主要是要完成主杆的抓取和自攻螺钉的锁紧任务。故增加换手盘设计，R2机器人手爪设计如图6所示。其余手爪设计不一一赘述。13001101669562.520020020025025020025R1机器人J6轴光源图图5 5R R1 1机器人手爪设计机器人手爪设计69562.5200200200130011012209250450208250123465送钉拧紧系统图图6 6R R2 2机器人手爪设计机器人手爪设计1.拾取器；2.连接法兰；3.连接板；4.主板；5.相机支架；6.装饰板陈婉华：基于工业机器人的配电柜框架自动压装线设计372023年1月机电技术机电技术参考文献：1 蒋庆斌，陈小艳.工业机器人现场编程M.2版.北京：机械工业出版社，2019.2 计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述J.机电工程，2015，32（1）1-13.3 兰虎，鄂世举.工业机器人技术及应用M.2版.北京：机械工业出版社，2022.4 上海发那科机器人有限公司.发那科机器人程序员A课程EB/OL.2017-3-12.https：/ 上海发那科机器人有限公司.FANUC Robot M-20iA机构部操作说明书EB/OL.2020-11-30.https：/ 上海发那科机器人有限公司.FANUC Robot R-2000Ic机构部操作说明书EB/OL.2017-5-28.http：/ 王素娟，秦情，屠子美.工业机器人在LCD显示器废弃物自动化拆解流水线中的应用J.现代电子技术，2019，42（4）：175-178.8 罗英俊，张军，宁玉红，等.工业机器人在电机外壳加工生产线上的应用J.现代制造工程，2017（12）：48-53.9 赵海文，苏凡，王亚军，等.基于工业机器人的电梯厅门装配系统设计J.机床与液压，2018，46（3）：61-71，42.2.2主框架压装机设计侧边框固定采用磁力气动吸盘的方式。压装机采用电机双向丝杆驱动和齿轮直连传动，能保证压装的同步性，提高压装平稳性，完成产品主框架的压装功能4-6。压装机结构示意图如图7所示。2.3机器人与PLC接口电路在机器人工位，六轴机器人的动作是由FANUCiR Vision机器人2D视觉系统、转动气缸配合进行的7。PLC可以对这些配合进行控制，而在机器人JC6轴安装的抓取工具、电动螺钉枪等，则由机器人发出指令。压装机与机器人工位 2 的PLC_IO模块接线图如图8所示，其余工位接线图与之类似，不一一赘述。图图7 7压装机结构示意图压装机结构示意图图图8 8PLC_IOPLC_IO模块接线图模块接线图3结束语工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器及人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备8。六轴工业机器人具有精度高、工作稳定、柔顺性好、动作迅速等优点9。只要配上合适的末端执行器，将能胜任多项工作。根据配电柜框架压装的工艺流程要求，研制了一套框架自动压装生产线，对每个工位和机构作了详尽的介绍。机器人技术与PLC技术、传感器技术相结合，大大简化了整个流水线的机械设计，保证了作业的精度和质量，提高了工厂的自动化水平。38