机器人自动上下料搬运项目设计研究

摘 要：轮胎厂的钢丝压延生产线工艺要求都必须使用钢丝锭子。没有实现自动化之前，装卸钢丝锭子都是使用人工，或者人工辅助平衡吊来装卸。如果要实现锭子装卸工作的自动化，以机械代替人工，锭子的抓取过程必须实现自动化。根据以上情况及要求本文利用6轴机器人及机器人手臂前端安装夹具来实现的自动装卸过程，锭子的抓➳取及锭子箱的塑料隔板吸附都必须借助本装置来实现。如下内容将重点阐述，要实现锭子装卸工作的自动化，机械方面涉及相关主要元件的选用及设计思路。

关键词：机器人；自动装卸；设计计算；夹具；吸附

前言：轮胎厂的钢丝压延生产线工艺要求都必须使用钢丝锭子。钢丝锭子必须安放到锭子架上使用，一卷钢丝锭子使用完毕之后必须更换。没有实现自动化之前，装卸钢丝锭子都是使用人工，或者人工辅助平衡吊来装卸。如果要实现锭子装卸工作的自动化，以机械代替人工，锭子的抓取过程必须实现自动化。

根据以上情况及要求本文利用6轴机器人及机器人手臂前端安装夹具来实现的自动装卸过程，锭子的抓取及锭子箱的塑料隔板吸附都必须借助本装置来实现。

具体流程为：1.机器人通过腕部夹具上的视觉系统识别锭子箱内满锭子的固定位置，同时将3件满锭子抓取，并按机器人示教路径放置于另一固定位置。2.机器人通过腕部夹具上的视觉系统识别锭子箱内塑料隔板的固定位置，并按机器人示教路径放置于另一固定位置。

如下内容将重点阐述，要实现锭子装卸工作的自动化，机械方面涉及相关主要元件的选用及设计思路。

1机器人选用

本项目选用安川MS165六轴机器人作为搬运主体。该机器人采用电气驱动，利用电动机产生力或力矩，直接或减速机机构驱动机器人，以获得所需的位移、速度、加速度。应用广泛，无污染、易控制、运动精度高，成本低、驱动效率高。详细说明：1.MS165机器人腕部负载重量为165kg，工件（钢丝锭子）重量约为20kg，夹具重量约为30kg，安全系数=机器人负载重量/（3x工件重量+夹具重量）≥1.83，满足使用条件；2.MS165机器人臂展范围R=2☒702mm，现场锭子架平面尺寸为3500mmX1900mm，在根据机器人仿真软件进行模拟测试，满足使用条件；3.MS165机器人重复定位精度为±0.2mm，根据视觉定位精度及夹具机械补偿精度调整，可满足使用条件；4.MS165机器人通过机器人仿真软件模拟，可满足上下工件节拍（用户提供时间≤30s/次），故得出最终选型合格。

2搬运夹具设计

本项目夹具为自主研发设计，夹具底板固定在机器人腕部，夹持机构选用SMC品牌宽型气爪MHL2-40D-M9N（数量3件），气缸缸径为40mm，动作方式为双作用，最高使用压力为0.6MPa，重复精度为±0.1mm，气爪夹持力为396N，满足夹持工件应用。气爪执行端安装尼龙材质扣爪，用于保护工件钢丝在搬运过程中不受损伤。夹具顶端安装两处SMC微动开关VM1000-4NU-01（数量2件），用于检测高度方向锭子位置（平面方向依靠视觉系统检测），微动开关为串联信号，用于避免因为工件表面不平整导致单个工件接触到微动开关的情况，提高夹具夹持的可靠性。左右两处夹爪气缸安装在直线导轨（上银HIWIN）上，由小行程气缸控制，目的是为了补偿抓取和放置工件时，三个工件的相对位置不一致的情况。

3吸附吸盘设计

本项目吸盘为自主研发设计，需要吸附的工件（塑料隔板）重量约1.5kg，吸附表面光洁度较高，但是由于图案花纹品种较多，凹凸不平位置较多。根据以上条件设计吸盘固定底板集成在夹具位置，成90°安装，目的方便机器人工作翻腕，进而提高生产效率或节拍。计算吸盘水平提升力=1.5kgX安全系数，选用安全系数=4，则吸盘水平提升力为60N，

选择吸盘？10直径，真空压力为--80kpa，真空吸力为6.28N，数量20个，但是上文提高塑料隔板图案花纹品种较多，凹凸不平位置较多，导致可能存在个别吸盘无法吸附的情况出现，吸盘无法吸附，会极大的破坏真空环境，会导致真空负压降低，使吸盘吸力降低，最终导致吸盘无法吸附工件（塑料隔板）；选择吸盘？8直径，真空压力为--60kpa，真空吸力为3.01N，数量40个。原因是增加吸盘数量使实际使用28个吸盘就足够达到吸附要求，另外所有吸盘均安装真空逻辑阀，降低吸盘吸附不能情况下，真空度的损耗。真空度的建立采用SMC真空发生器ZH18DS-03-03-03，最大真空流量可达110L/min。最后吸盘中心位置可配置光电传感器，用于检测吸附后搬运过程中，塑料隔板掉落等特殊情况，可以通过光电传感器给PLC提供开关量信号，通过PLC使机器人报出故障停止，由人工干预复位即可。

4视觉系统选用

本项目选用基恩士视觉系统搭载在夹具位置进行视觉检测应用。基恩士视觉设备及控制系统为视觉行业优秀品牌，产品质量可靠，操作界面简洁方便。本项目采用CV-X150A视觉控制器，带2台31万像素高速黑白CCD，选用圆形LED照明单元组成。需要检测项目：1.锭子轮：最大外圆为ψ255，中心孔为ψ32，高度为329。2.塑料隔板：外形为1040x780，中心小圆为ψ122，两个圆间距为260。核 ッ算选型如下：为了满足条件一、条件二设定视野400mm（满足条件一、二），根据精度=视野÷相机单方向像素数×5，得出3.125mm=400÷640×5，根据视野与工作距离折现图表，查表得出WD约980，也就是说每次检测通过机器人示教路径，将机器人腕部夹具上的CCD镜头垂直距离工件距离约980mm，可满足视野400mm内，视觉识别定位可达3.125mm。保证该精度范围，相关误差用机械结构消除即可满足使用条件。

5气控系统选用

本项目搬运机器手的气动控制方法是由气源、气源三联件、气源通断控制阀以及各气缸的控制阀组组成顺序动作回路构成。总气源出来的气体经过气源三联件过滤、减压、润滑处理后，通过相应的电磁换向阀驱动各气动执行元件，实现预定动作。宽型夹爪使用SMC三位五通中封阀控制抓取、松抓动作。伸缩气缸使用SMC二位五通阀控制左右两个满锭子抓取和放置时的相对位置尺寸不一样的情况。同时气控系统通过减压阀和压力表来控制夹爪夹持力的大小，此外，各气缸进、出气口都安装有节流阀，实现对气缸运动速度的控制；电磁阀的出气口都装有消声器，可以减少压缩气体对环境的噪音污染。

结论：

本文针对目前轮胎厂的钢丝压❣延生产线人工搬运锭子出现的劳动强度大，工作效率低的情况，并考虑锭子房室内环境需要持续恒温的工况条件，利用目前市面现有的工业机器人、视觉检测系统、气控技术等，研制一套新型自动化搬运装置，通过多次试验，能够顺利完成预定动作。得出结论如下：

1.通过对工业机器人的选型及应用，加深了对机器人方面的了解， Ü包括仿真的建立，极大的提高了项目的实用性及可靠性，节约前期投入成本。同时机器人的自动化搬运，也提高了目前生产环节的效率及安全性。

2.机器人采用PLC与机器人控制柜DX200通讯控制，通过控制软件与系统软件用户界面，能够实现自动控制和各种状态远程监测，有利于现场操作人员及时处理机器人报警、误操作等问题，降低机器人运行过程中的危险事故的发生率。

3.该机器人夹具执行机构采用气控控制技术，气源方便，污污染。减少气路、电路交叉环节，防止故障率增加。同时单一气路控制，现场布线美观。

参考文献：

[1] 王晨.基于机械臂的工业生产自动化自动化博览.2013（01）

[2]朱彦齐，陈玉芝.浅谈工业机器人在自动化控制领域的应用[J].2010（08）

[3]李瑞峰.中国工业机器人产业化发展战略[J].航空制造技术.2010（09）

[4]孙志杰，王善军，张雪鑫.工业机器人发展现状与趋势[J].吉林工程技术师范学院学报.2011（7）

作者简介：

任谊，1984-6-20，助理工程师，本科生，从事橡胶机械研发设计工作。