基于ABB機(jī)器人的沖壓線上下料系統(tǒng)構(gòu)建及其實(shí)驗(yàn) 非標(biāo)訂制

摘要：結(jié)合實(shí)驗(yàn)室ABB IRB 1410型機(jī)器人，參照汽車柔性自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線，為之搭建了相應(yīng)的上下料系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)ABB IRB 1410機(jī)器人進(jìn)行了上下料軌跡的規(guī)劃，進(jìn)而利用RobotStudio軟件進(jìn)行了機(jī)器人自動(dòng)化上下料離線仿真，并開(kāi)展了機(jī)器人在線上下料模擬實(shí)驗(yàn)，為機(jī)器人上下料技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)范例和技術(shù)支撐。

北京深隆科技有限公司的主要產(chǎn)品及服務(wù)為機(jī)器人智能涂裝線、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用及成套裝備、涂裝自動(dòng)化生產(chǎn)線集成三大系列，以解放低端勞動(dòng)力、改善有害工作環(huán)境為導(dǎo)向，以工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用為基礎(chǔ)，以行業(yè)應(yīng)用的個(gè)性化方案定制為核心，業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括3C產(chǎn)品、汽車零部件等表面處理、重工、軍工、航空、新能源等行業(yè)。產(chǎn)品包括：工業(yè)機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線，自動(dòng)涂裝生產(chǎn)線，全自動(dòng)點(diǎn)涂膠機(jī)器人, 自動(dòng)上下料機(jī)器人 自動(dòng)玻璃點(diǎn)涂膠機(jī)器人，自動(dòng)鎖鏍絲機(jī)器人，自動(dòng)上下料機(jī)器人、 CCD視覺(jué)定位鎖鏍絲機(jī),工業(yè)機(jī)器人配件、機(jī)器人工裝，夾具，氣動(dòng)夾具，氣動(dòng)工裝，氣動(dòng)模具，裝配夾具，裝配卡具等。技術(shù)咨詢：18001130868 18001197956

汽車車身的金屬件幾乎100%是沖壓件，因而汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線自然成為汽車企業(yè)中最核心的生產(chǎn)線[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，為獲得規(guī)模性效益，全球汽車企業(yè)一直延續(xù)大批量、單一化的生產(chǎn)模式，機(jī)械手高效沖壓線是汽車大型沖壓設(shè)備的主要形式[2]。然而，隨著消費(fèi)者對(duì)車型個(gè)性化和高品質(zhì)的追求，汽車覆蓋件自動(dòng)化沖壓從大批量、單一化的剛性生產(chǎn)模式正悄然向小批量、多品種生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變[3-4]。為適應(yīng)此生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)“一線多用”的可持續(xù)沖壓發(fā)展目標(biāo)，由視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別和智能協(xié)調(diào)等系統(tǒng)組成的“柔性沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線”越來(lái)越為汽車制造企業(yè)所認(rèn)可[5]，但相關(guān)技術(shù)一直被國(guó)外企業(yè)壟斷。2007年，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)自主研發(fā)、制造和集成出我國(guó)首條大型機(jī)器人自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線[6]，但所配備的機(jī)器人并非國(guó)產(chǎn)，核心技術(shù)依然尚未掌握。

作為汽車制造四大工藝之首的沖壓工藝，若其生產(chǎn)線采用柔性化傳送系統(tǒng)，可以顯著提高沖壓效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低綜合制造成本[7]。其中，柔性化沖壓的代表設(shè)備——工業(yè)機(jī)器人，可確定靈活工作空間中任意一點(diǎn)位姿[8]，能最大程度地保證沖壓工藝的通用化和自動(dòng)化;先進(jìn)輔助技術(shù)的重要組成部分——視覺(jué)對(duì)中系統(tǒng)，可以充當(dāng)機(jī)器人眼睛，能更好地實(shí)現(xiàn)物料傳送的柔性化和智能化[9]。

本文將結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有ABB IRB 1410型機(jī)器人，參照汽車柔性自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線機(jī)器人上下料系統(tǒng)，搭建與其相應(yīng)的上下料平臺(tái)系統(tǒng)，一定程度上實(shí)現(xiàn)旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過(guò)程的在線作業(yè)，并開(kāi)展機(jī)器人離線、在線上下料模擬實(shí)驗(yàn)，為機(jī)器人上下料技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)范例和技術(shù)支撐。

1 機(jī)器人上下料系統(tǒng)的搭建

如圖1所示機(jī)器人上下料系統(tǒng)由5部分組成：機(jī)器人系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)的搭建

機(jī)器人系統(tǒng)的各主體單元包括：ABB IRB 1410六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人、FlexPendant示教器、IRC5控制柜、RobotStudio/RobotWare離線編程軟件和機(jī)器人手冊(cè)。

1.2 真空系統(tǒng)的搭建

汽車覆蓋件大而輕、薄而堅(jiān)，非常適合采用真空吸附的工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取[10]。由于ABB IRB 1410機(jī)器人沒(méi)有配套的端拾器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此，與端拾器相關(guān)的真空系統(tǒng)元件需要自行選購(gòu)，其選購(gòu)原則及結(jié)構(gòu)如下：

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所搬運(yùn)的矩形板料的重量，吸盤的數(shù)量、最小估算尺寸以及氣路耗損等因素，選用能夠提供-85 kPa真空度的施邁茨真空泵。

(2)根據(jù)所選用的真空泵、吸盤的數(shù)量、實(shí)驗(yàn)所搬運(yùn)材料的重量、吸盤的吸取方式，經(jīng)過(guò)計(jì)算，選購(gòu)直徑為30 mm的施邁茨真空吸盤。

(3)真空開(kāi)關(guān)可用來(lái)檢測(cè)真空系統(tǒng)的氣壓強(qiáng)度，緩沖支桿能調(diào)整端拾器的垂向壓縮量。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選購(gòu)施邁茨真空開(kāi)關(guān)1個(gè)、施邁茨緩沖支桿4只。

(4)電磁閥控制氣路的通斷，因本真空系統(tǒng)提供的是負(fù)氣壓，故不能選取工作壓強(qiáng)為正的先導(dǎo)式電磁閥，而宜選用直通式電磁閥。本系統(tǒng)選用二位三通直通式電磁閥。分路塊是端拾器必備的氣路分流元件，根據(jù)吸盤數(shù)目選購(gòu)6孔的分路塊。

根據(jù)以上元件的選擇，搭建真空系統(tǒng)主要?dú)饴愤B接如圖2所示。

1.3 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及端拾器和上下料平臺(tái)的設(shè)計(jì)。如圖3所示為ABB IRB 1410機(jī)器人手腕承載圖，圖4所示為吸盤在板料上的布置圖。

根據(jù)圖3所示機(jī)器人手腕承載情況，選定端拾器質(zhì)心位置及加工材料。根據(jù)圖4吸盤在板料上的布置圖，設(shè)計(jì)端拾器為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。最終設(shè)計(jì)完成的端拾器三維模型如圖5所示。此端拾器的質(zhì)心與機(jī)器人法蘭盤中心點(diǎn)沿Z方向的距離為70 mm，端拾器質(zhì)量為2.63 kg，所加工板料每張質(zhì)量為1.3 kg，總體質(zhì)量未超過(guò)4 kg。

如圖6所示為機(jī)器人原點(diǎn)位姿下的工作空間。

根據(jù)圖6所示機(jī)器人的工作空間，設(shè)計(jì)上下料平臺(tái)與機(jī)器人之間的位置關(guān)系如圖7所示。

進(jìn)而，設(shè)計(jì)上下料平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，上料平臺(tái)自上而下主要由對(duì)尺桌面、上料托板和支架組成;下料平臺(tái)自上而下主要由模具桌面、下料托板和支架組成;由槽鋼將上、下料平臺(tái)連成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)并與地面固定。最終整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)三維模型如圖9所示。

1.4 視覺(jué)系統(tǒng)的搭建

若為沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線加入視覺(jué)對(duì)中功能，則其可以相當(dāng)于將多條專一性的生產(chǎn)線合為1條多功能自動(dòng)化生產(chǎn)線，只需更換視覺(jué)對(duì)中程序，機(jī)器人便可自動(dòng)對(duì)中不同形狀的汽車零件。國(guó)外機(jī)器人公司已將這項(xiàng)技術(shù)模塊化，應(yīng)用方便，但費(fèi)用較高，國(guó)內(nèi)企業(yè)目前尚未自主開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于汽車沖壓生產(chǎn)線的視覺(jué)自動(dòng)對(duì)中技術(shù)。

機(jī)器人視覺(jué)對(duì)中上下料的工作原理為：工業(yè)攝像機(jī)將抓拍到的板料圖像傳送到PC機(jī)，圖像處理系統(tǒng)將其與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)獲得矯正數(shù)據(jù)(位置/角度偏差)，人機(jī)交互系統(tǒng)將偏差值轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人可識(shí)別的指令，自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的抓取位姿。

根據(jù)所需拍攝工件的工作狀態(tài)、外形尺寸、下料平臺(tái)模具桌面內(nèi)的對(duì)尺槽精度，并綜合考慮位置和偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差，機(jī)器人的上下料頻率、周期及工作現(xiàn)場(chǎng)的光線情況等因素，選擇維視MV-2000UC彩色攝像頭。

根據(jù)所搭建的上下料平臺(tái)鏡頭和板料之間的高度及攝像頭的視場(chǎng)，選擇H0514-MP型號(hào)、焦距為5 MM的定焦工業(yè)鏡頭。安裝完畢的工業(yè)攝像機(jī)如圖10所示。與其對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互控制軟件的主界面如圖11所示。

1.5 電氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)真空系統(tǒng)由真空泵、分路塊、二位三通直通式電磁閥、真空開(kāi)關(guān)、真空吸盤、緩沖支桿等構(gòu)成。此系統(tǒng)電氣控制原理如圖12所示。

2 ABB機(jī)器人上下料離線仿真實(shí)驗(yàn)

將利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的上下料平臺(tái)和端拾器三維模型導(dǎo)入ABB專業(yè)離線仿真軟件RobotStudio環(huán)境中，添加系統(tǒng)自帶的ABB IRB 1410型機(jī)器人實(shí)體模型。

按預(yù)期設(shè)計(jì)方位安放上下料平臺(tái)，因機(jī)器人末端的軌跡規(guī)劃需避讓上料平臺(tái)上的攝像機(jī)支架，因此安裝端拾器時(shí)，短邊尺寸朝向支架，且端拾器位姿保持不變。

2.1 機(jī)器人上下料軌跡規(guī)劃

如圖13所示為機(jī)器人上下料軌跡示意圖，假設(shè)機(jī)器人上、下料中心點(diǎn)的位置分別為P30、P40，令處于原點(diǎn)位姿下的機(jī)器人手腕向下旋轉(zhuǎn)90°，設(shè)此時(shí)吸盤底面所在平面與法蘭盤中心線的相交位置為P10，即端拾器底面中心O，機(jī)器人處于抓取板料待命狀態(tài)。機(jī)器人自O(shè)點(diǎn)運(yùn)行到上料平臺(tái)中心上方P20點(diǎn)，而后下降至上料平臺(tái)中心點(diǎn)P30，吸取板料，繼而回升至P20點(diǎn)，此為取料過(guò)程;令機(jī)器人自O(shè)點(diǎn)從P20點(diǎn)平移至下料平臺(tái)中心上方P50點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)上下料過(guò)程中機(jī)器人快速平穩(wěn)的運(yùn)行，機(jī)器人從上料平臺(tái)到下料平臺(tái)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃為直線，此為搬運(yùn)過(guò)程。機(jī)器人自O(shè)點(diǎn)從P50點(diǎn)下降并與下料中心點(diǎn)P40重合，釋放板料，繼而回歸P50點(diǎn)，此為放料過(guò)程。

取料、搬運(yùn)、放料過(guò)程循環(huán)10次后，為防止回原點(diǎn)過(guò)程中端拾器與下料平臺(tái)發(fā)生碰觸，首先令機(jī)器人O點(diǎn)先從P40上升到P60點(diǎn)，然后再令各軸回歸零位，由此完成機(jī)器人上下料軌跡的規(guī)劃。

2.2 離線仿真實(shí)驗(yàn)

在實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)的離線仿真過(guò)程中，設(shè)置機(jī)器人的6個(gè)位姿點(diǎn)，機(jī)器人取料過(guò)程和放料過(guò)程的離線仿真結(jié)果分別如圖14、圖15所示。

采用C#語(yǔ)言編制人機(jī)交互軟件中的機(jī)器人控制部分，需在RobotStudio軟件中進(jìn)行控制信號(hào)的測(cè)試。因此，建立1個(gè)仿視覺(jué)數(shù)組，每當(dāng)控制器請(qǐng)求插補(bǔ)信息時(shí)，服務(wù)器隨機(jī)從建立的數(shù)組中輸出數(shù)字傳入控制器，機(jī)器人收到控制器傳來(lái)的仿視覺(jué)信號(hào)，其流程如圖16所示。

按照?qǐng)D16所示的流程經(jīng)運(yùn)動(dòng)仿真發(fā)現(xiàn)：控制器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)后，將其返回的視覺(jué)插補(bǔ)信號(hào)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人接收到視覺(jué)插補(bǔ)信號(hào)指令后便迅速到達(dá)指定位置。由此保證了在后續(xù)的人機(jī)交互界面軟件控制下的視覺(jué)對(duì)中實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人將能夠受控于由圖像處理程序傳來(lái)的矯正信號(hào)。

3 ABB機(jī)器人上下料在線模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)機(jī)器人上下料軌跡規(guī)劃，擬定機(jī)器人上下料任務(wù)流程，如圖17所示。

根據(jù)圖17的任務(wù)流程進(jìn)行上下料實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為保持上下料動(dòng)作平穩(wěn)快速，機(jī)器人每段軌跡都盡量規(guī)劃為最短直線;為保證吸盤施力均衡，機(jī)器人法蘭盤始終與地面垂直，取料時(shí)端拾器中心處于板料中心位置;為盡量消除偏置載荷和扭矩的影響，機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，第六軸主動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)角以使端拾器姿態(tài)不變，同時(shí)要注意與攝像機(jī)支架之間留有安全余量，且軌跡平滑，不能有多余的停頓點(diǎn)。機(jī)器人在線上下料實(shí)驗(yàn)如圖18所示。

為能更好地實(shí)現(xiàn)物料傳送的柔性化和智能化，在原有的機(jī)器人上下料系統(tǒng)中加入視覺(jué)對(duì)中技術(shù)。加入視覺(jué)對(duì)中技術(shù)的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，柔性化程度和生產(chǎn)效率都更高。本次機(jī)器人視覺(jué)對(duì)中柔性上下料實(shí)驗(yàn)的上下料頻率為10次/min，中間搬運(yùn)行走速度為1 000 mm/s。

如圖11所示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人機(jī)交互界面，包括機(jī)器人控制(1)、實(shí)時(shí)監(jiān)控(2)、圖像處理(3)3個(gè)基本模塊。其中，圖像處理部分將3個(gè)矯正參數(shù)傳給機(jī)器人控制部分，控制部分再將視覺(jué)信號(hào)傳遞給機(jī)器人控制器，機(jī)器人每次以正常位姿到達(dá)上料中心后，再聽(tīng)從控制器傳來(lái)的矯正指令調(diào)整端拾器的位置和姿態(tài)，準(zhǔn)確抓取板料的正中心，然后在移出上料區(qū)域的過(guò)程中調(diào)整為正常姿態(tài)，最終將板料放入模具中。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際工況要求和約束條件完成了沖壓線上下料機(jī)器人系統(tǒng)的搭建，完成各零部件的設(shè)計(jì)和選購(gòu)，為機(jī)器人上下料模擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展奠定了平臺(tái)基礎(chǔ)，同時(shí)也為汽車沖壓線機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建提供了范例參考。

在所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)ABB IRB 1410機(jī)器人進(jìn)行了上下料軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人上下料離線仿真。所開(kāi)展的機(jī)器人上下料在線實(shí)驗(yàn)，模擬了機(jī)器人的上下料過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和人機(jī)交互控制技術(shù)的集成。機(jī)器人上下料實(shí)驗(yàn)的順利完成為機(jī)器人上下料技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)范例和技術(shù)支撐。