上下料系統(tǒng)應用六軸機器人

隨著上汽通用五菱車型更新和產能的提升，人工上下料的落料方式越來越不適應生產的需求。因此我們對落料壓力機的上下料方式進行了自動化改造。改造后，自動上下料系統(tǒng)使用兩臺FANUC六軸機器人分別完成拆垛、上料和下料、碼垛的工序，使落料件生產邁向了自動化，提升了產品質量和生產效率。

系統(tǒng)的網絡構架

沿用原落料壓力機控制系統(tǒng)的網絡構架，即工業(yè)以太網EtherNet/TP和現場總線DeviceNet組成的分散式兩層網絡。通過工業(yè)以太網進行PLC、人機界面（HMI）和機器人之間的數據交換。

自動上下料系統(tǒng)與壓力機共用PLC（AB1756-L62S安全PLC），原壓力機PLC只需增加1個總線模塊而不需增加I/O模塊?，F場總線網絡中涉及到的安全信號如急停、限位和電機起停等（如圖1中第10槽下掛的11個安全I/O模塊）由安全I/O收集，遵循總線安全協(xié)議與PLC進行數據交換。安全信號與常規(guī)設備信號的傳輸共用一條總線電纜，使網絡構架的架設成本降低，系統(tǒng)簡潔，便于維護。

圖1   I/O配置

新增設備包括FANUC六軸機器人R2000IA-100P和R2000IB-100P各1臺，上料、下料小車各1臺，可控制安全進入系統(tǒng)、安全圍欄等。前臺機器人同時完成拆垛、上料任務，后臺機器人同時完成下料和碼垛任務。六軸機器人在運動中能保持較高的精度，配合程序設計可使拆垛和碼垛過程與零件厚度相匹配，得到非常理想的拆垛、碼垛效果。新增設備中沒有用于零件對中的設備，在自動上下料系統(tǒng)中通常都使用到對中設備，若零件對中不到位，會導致零件放入模具時出現位置偏移，給沖壓工序帶來麻煩。但考慮到上料垛料是整齊的定尺料，通過叉車將整垛料放到上料小車上的固定位置，因此上料件的對中調整量并不大。我們通過上料機器人的“零件拾取點動態(tài)調整”功能“省”去零件對中設備，這樣做不僅是節(jié)省了一套對中設備，也節(jié)省了一臺用于垛料和對中設備之間搬運零件的機器人，使拆垛和上料的任務能夠使用一臺機器人完成。此次自動化改造中使用的R2000IA-100P機器人改造前為工廠閑置設備，型號舊。舊型號的機器人需要將其操作面板I/O、急停等信號的傳輸方式由硬線傳輸改為現場總線傳輸，使舊型號的機器人不影響兩層控制系統(tǒng)網絡構架的搭建。

零件拾取和放下的執(zhí)行機構為安裝于機器人手臂上的真空發(fā)生器。真空發(fā)生器自帶有現場總線適配器，它掛在機器人控制器自帶的現場總線通信模塊下，它不通過PLC而直接由機器人控制，以提高零件抓取和放下等動作的執(zhí)行效率。

機器人的運動控制和程序結構

我們對機器人的運動控制的簡單定義為：把機器人一個完整工作循環(huán)的空間運動軌跡拆分成若干軌跡段，對每一個軌跡段的終點進行命名和編號，這些與機器人運動位置相對應的編號通過機器人輸出信號中的一組數組發(fā)給PLC，PLC通過當前機器人發(fā)來的這組編號來確定機器人的運動位置。我們所需要做的就是通過正確的邏輯關系來控制機器人每個軌跡段的啟動、停止、跳轉和銜接，這就是機器人的運動控制。下面主要對拆垛與上料機器人的程序進行說明。

需要編寫的機器人程序主要為：生產程序、更換端拾器程序和維修程序三類。生產程序與落料件零件代碼和模具代碼一一對應，不同零件生產程序只有運動軌跡的不同而邏輯結構完全一樣。機器人接收PLC發(fā)出的配方號啟動與之對應的生產程序。

圖2是生產程序中拆垛與上料機器人各個軌跡段的空間分布示意圖，圖3是邏輯結構圖。設備運行時，機器人與PLC之間交換的信息主要包括當前機器人處于運動軌跡中的位置編號、當前零件的狀態(tài)、當前壓力機滑塊行程位置、系統(tǒng)級別的安全信號和PLC給機器人的指令（如圖3中的指令0、指令15和指令7）等。

圖2   拆垛與上料機器人各個軌跡段的空間分布

圖3　拆垛與上料機器人的邏輯結構

拆垛與上料機器人從拆垛起始點（1號點）啟動，在垛料和上料點之間循環(huán)進行零件搬運。結合圖3，在每一個等待繼續(xù)的位置，機器人都需要接收PLC的指令信號來進行下一步動作（指令0為允許機器人繼續(xù)下一步，指令15為返回起始點，指令7為進入“追逐點”，指令8、9為運動到特定位置，指令10為丟棄垛料中最后一件不能用于生產的零件，指令11、12為出現“雙料故障”時的處理方式）。

尋件過程說明：機器人從位置“1”沿著垂直垛料的方向緩慢向下運動，同時打開真空發(fā)生器左右兩個真空通道，隨時用于零件的拾取。當任何一個通道的真空度布爾量反饋信號置“ON”，則說明已經拾取到零件，也說明機器人已經到達垛料的頂部位置，此時停止機器人的向下運動，并將當前機器人的位置記錄為拾取點（3號點）。下一個循環(huán)的拾取點位置需要更新，用當前拾取點位置向下減掉一個板料的厚度即可。尋件過程進行之后，新的拾取點位置是每個循環(huán)分別計算出來的，若系統(tǒng)沒有尋件需求，可直接運動到更新后的拾取點位置去拆離下一件零件。

追逐點的說明：生產全速進行時，為了提高生產效率，在上料機器人到達上料準備點（7號點）時，若下料機器人正在進入模具區(qū)域拾取前一個沖壓完畢的零件，則上料機器人可利用下料機器人拾取零件的時間，提前運動到更接近上料點位置的追逐點（8號點），以便能在下料機器人取走零件的動作開始之后，能從距上料點更近的追逐點開始上料動作，這樣可以提高生產效率。

零件狀態(tài)的檢查：圖3中在多個位置需要檢查零件狀態(tài)。如在零件檢查點（5號點）有時會出現如零件掉落等非正常狀態(tài)，通過HMI界面操作員可根據實際情況選擇“忽略”，即人工忽略零件的故障狀態(tài)，繼續(xù)將零件送到壓力機?；蜻x擇“重試”將零件吹落到垛料頂部，再從“零件檢查點”返回垛料頂部重新拾取該零件。

到達特定位置：是指在生產過程中將機器人停在指定位置，如“清潔模具等待點”、“零件狀態(tài)觀察點”和“拆垛起始點”，“清潔模具等待點”方便操作員進入模具區(qū)域進行模具清潔等操作，“零件狀態(tài)觀查點”方便操作員觀察零件表面狀態(tài)，“拆垛起始點”是操作員結束當前生產時或下一個生產循環(huán)開始前需要機器人到達的位置。當操作員需要機器人到達這些特定位置，而又不需要停止生產時，可通過人機界面的選項將機器人停止在所需要的位置上。

圖4是下料與碼垛機器人各個軌跡段的空間分布示意圖。下料與碼垛機器人需要處理的任務比拆垛機器人要少，不存在需要分析零件是否有“雙件”故障或是否為最后一件零件，全速生產時不需進入“追逐”位置等，所以PLC發(fā)送的指令種類也相應減少。

圖4 下料與碼垛機器人各個軌跡段的空間分布

下料與碼垛機器人的尋件過程與拆垛與上料機器人的尋件過程類似，不同的是通過尋件過程記錄到碼垛點（4號點）的位置后機器人并不拾取此零件，而只是用于確認垛料的頂部位置，確認之后便將已經拾取的零件吹落，并到下料準備點等待PLC指令。

零件碼放時要注意控制機器人的運動方式，精確到達碼放位置，保證零件碼垛效果。

安全連鎖

落料的每一個工作循環(huán)，兩臺機器人之間以及機器人與壓力機之間都有相互干涉的區(qū)域，因而對安全連鎖的要求高，連鎖關系繁多。拆垛與上料機器人要設定的連鎖條件主要包括：與上料小車不相干涉，與壓力機不相干涉和與下料碼垛機器人不相干涉；下料與碼垛機器人要設定的連鎖條件主要包括：與下料小車不相干涉，與壓力機滑塊行程不相干涉和與拆垛上料機器人不相干涉；零件需要確定的連鎖狀態(tài)有：上料到位、沖壓工序完畢、零件被/已被取走及零件狀態(tài)異常等。連鎖關系正常時，允許機器人從每一個經定義的軌跡段終點開始往下一個軌跡段終點方向啟動，未經定義的軌跡點是不允許出現的。當機器人已經在運動，即處于兩個軌跡段終點之間的位置時，同樣要注意連鎖關系是否正常，一旦連鎖關系出現異常，就要立即確保停止一切正在進行中的設備運動。

生產是追求效率的，比如在設備全速運行時，壓力機的沖壓動作是提前于上料機器人上料后完全返回到安全區(qū)域的，這時壓力機滑塊提前下壓的時間、角度參數需要根據機器人返回與壓力機不想干涉區(qū)域的速度來計算；上料機器人在開始上料動作時，下料機器人下料后可能并沒有返回與上料機器人完全不相干涉的位置，這時允許上料機器人提前上料的指令需要根據下料機器人此時的運動位置和速度來設定；下料機器人在進入模具區(qū)域下料時，壓力機滑塊可能并沒有完全返回其行程的“上死點”位置，這時允許下料機器人下料的指令須先確認滑塊當前角度才能發(fā)出。

在重要的干涉區(qū)，如前臺機器人在上料拾取點位置或后臺機器人在下料拾取點位置，這時兩臺機器人所處區(qū)域，都是在滑塊的行程范圍之內的。我們在機器人基座上的第一軸安裝了動態(tài)限位裝置來確認這些區(qū)域。此信號是作為安全信號引入的，可根據第一軸的旋轉運動來確定機器人當前所處的實際區(qū)域。

結束語

自動落料生產單元目前進行大中型落料件的生產。經過近4個月的生產統(tǒng)計，與手工上下料相比，生產中型落料件的速度由原來的5件/min提高至7.8件/min，生產大型落料件的速度由原來的3件/min提高至6.5件/min。落料件產品碼垛整齊，且不需要任何定位裝置，零件表面污染小，滿足自動化沖壓整線對于上料垛料的質量要求。與其他的自動落料設備相比（如拆垛、碼垛機等專用設備組成的系統(tǒng)）能大幅度地降低設備投資成本。此項技改已獲得廣西重工業(yè)2009年度優(yōu)秀設備改造成果一等獎。