一种用于挡风玻璃翻转码垛的机器人.pdf

新疆农机化圆园23 年第 4 期修回日期院2023-04-01doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2023.04.005中图分类号:TP242.3文献标识码院A0 引言在乘用车整车厂总装生产线，前后挡风玻璃在涂胶和装配工序前需要将挡风玻璃由零部件物流区配送至目标工位区，配送设备使用AGV来完成，AGV顶部安装固定支撑工装，挡风玻璃逐片码垛在支撑工装上，AGV按照规划路径由物流区配送至挡风玻璃涂胶、装配的目标工位，经目标工位机械手一次性由下至上顶起整垛挡风玻璃，脱离AGV支撑工装后，AGV按规划路径返回物流区，完成一次挡风玻璃配送作业。但在物流区将挡风玻璃码垛至AGV支撑工装上的作业仍由人工完成，尤其是前挡风玻璃，其重量可达 15kg，劳动强度较大，需要两名作业人员协同完成。目前许多繁重、重复单调的作业已由工业机器人来完成，提高了生产自动化水平，降低了劳动强度1。鉴于此，本文设计了一套能够完成前后挡风玻璃自动翻转、搬运和码垛作业的机器人，为解决上述问题提供了一套可行方案。1 机器人选型及构成1.1 动作分解及机器人选型前后挡风玻璃为外购件，为提高挡风玻璃在运输途中的安全性，避免破损，供应商在发货时挡风玻璃采取纵向并排逐片的码垛方式，一个包装箱内可以码垛几十片挡风玻璃，而在乘用车总装厂物流区，因目标工位上件效率需求，需要作业人员将包装箱内纵向码垛的挡风玻璃逐片取出并将其翻转为水平状态后，再逐片码垛在AGV顶部的支撑工装上。分析整个作业动作过程，挡风玻璃需经X轴、Z轴方向的移动和Y轴方向的旋转动作来实现搬运、翻转和码垛动作。直角坐标机器人是典型的工业机器人中的一种，它以单个直线运动轴为基础，各个运动轴通常对应直角坐标系中的载轴、再轴和 在轴，载轴和再轴是水平面内运动轴，在轴是上下运动轴，在实际应用中还可以在在轴上加上一个或多个旋转轴和摆动轴，构成更多自由度的机器人2。从上述挡风玻璃搬运翻转码垛动作过程分析来看，直角坐标机器人完全可以满足作业需求，即保留X、Z轴平面运动轴用于挡风玻璃的搬运和码垛，再在Z轴下方添加一个沿Y轴的摆动轴用于挡风玻璃的翻转。1.2 机器人主要构成本方案机器人中的X轴和Z轴都采用直线运动单元，主要有滚珠丝杠、同步带和齿轮齿条三种类型3，其特点是文章编号院1007-7782渊2023冤04-0020-03一种用于挡风玻璃翻转码垛的机器人王生旭（广汽乘用车有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830068）摘 要院在乘用车整车厂总装生产线，零部件需要从物流区配送至各目标工位，其中挡风玻璃的配送由AGV完成，事先需要两名作业人员将挡风玻璃从包装箱内取出，经人力逐片翻转码垛在AGV上；该作业重复性高、劳动强度较大，存在利用自动化解决方案的必要性。本文基于该需求，设计了一套基于直角坐标的机器人，经论证分析，表明该装置可以实现挡风玻璃从包装箱内到AGV上的搬运、翻转和码垛等自动化作业。关键词院挡风玻璃；自动化翻转；码垛；机器人ArobotforflippingandstackingofwindshieldWang Shengxu渊XinjiangBranchofGACMotorCo.,Ltd.,Urumqi830068,Xinjiang,China)Abstract:In the assembly line of the car factory,the parts need to be delivered from the logistics area to each target workstation.The distribution of the windshield is completed by AGV,and two operators need to remove the windshield from the packagingbox in advance,and manually flip and stack it piece by piece on AGV;This task is highly repetitive and labor-intensive,its nec-essary to use automation to slove this problem.Based on this demand,a set ofrobot based on Cartesian coordinate system was de-signed in this essay.After demonstration and analysis,it showed that it can realize automatic operations such as carrying,flippingand stacking ofwindshield from the packaging box to AGV.Key words:Windshield;Automaticflipping;Stacking;Robot窑 开发研究 窑20援援新疆农机化圆园23 年第 4 期（下转第 30 页）传动平稳，运动精度高。滚珠丝杆型直线运动单元传动效率高、刚度好，通常应用在高精度、高负载特性场合3，本方案的Z轴选用滚珠丝杠型直线运动单元。同步带本身变形很小，比较适合于行程较大及高加速度场合3，同步带型直线运动单元的同步带可以延长，玻璃需逐片从包装箱搬运至AGV上方，此外玻璃翻转也需要一定空间，为避免与包装箱、AGV等物件干涉，需要较长行程，故本方案的X轴选用同步带型直线运动单元。用于驱动X轴和Z轴直线运动单元的是交流伺服电机。为避免成为悬臂梁结构、提高机器人运行平稳性，选用一组与X轴平行且等长度的无动力直线运动单元（本质上是一种滑轨）。末端执行器采用吸盘结构，利用真空发生器供给阀打开时建立的负压来抓取挡风玻璃。Y轴的摆动轴通过气缸来实现，利用气缸伸缩带动吸盘支架绕固定轴旋转，实现挡风玻璃的翻转动作。机器人主体结构如图1。图1 挡风玻璃翻转码垛机器人主体结构1.挡风玻璃2.X轴伺服电机3.X轴同步带型直线运动单元4.X轴无动力直线运动单元5.Z轴伺服电机6.Z轴滚珠丝杠型直线运动单元7.吸盘8.吸盘支架9.气缸2 机器人控制原理本方案涉及各种到位开关输入信号、AGV到位联锁输入信号、AGV配送联锁输出信号、控制真空发生器及电磁阀输出等I/O信号，需要由控制器对这些信号进行处理。PLC因其系统稳定性和维护便捷等特点和优势在工业机器人控制中得到广泛应用4，因此本方案选用 PLC 作为机器人的控制器。触摸屏有着直观、易操作的特点，为自动化生产线监控系统的人机交互提供了可靠保证5，本方案使用触摸屏作为上位机，在触摸屏上可以实现系统参数的输入、系统运行监控及生产情况统计等功能，若系统工作过程中出现意外情况则停止运行，触摸屏会显示相应的报警信息。触摸屏与PLC间使用网线连接，实现二者间快速通信。驱动 X轴、Z轴运动的交流伺服电机分别由两台伺服控制器来控制，两台伺服控制器均为具备基于总线控制的伺服控制器，基于总线控制的伺服系统可以减少PLC的I/O物理接线点，节约成本（特别是在PLC的I/O接线点不够的情况下），且具备高速传输的特点，在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面有着明显的优越性6。PLC与X轴、Z轴伺服控制器通过总线连接实现通信，这样PLC就可以通过总线在伺服控制器中获取运动过程中X轴和Z轴的编码器脉冲数值，便于编程。本方案机器人的总体控制原理如图2。图2 机器人总体控制原理3 机器人控制流程及动作机器人处于初始位置，AGV行走到位后触发联锁信号（如通过中间继电器）至机器人的PLC，PLC通过总线发出运动指令给X轴伺服控制器，X轴右移，过程中PLC通过总线读取并计算伺服控制器中X轴相对于初始位的脉冲差值，当脉冲差值达到第一片挡风玻璃位置区间值时X轴停止右移，Z轴下移并达到抓取位置的脉冲区间值时停止，PLC发出指令控制电磁阀使气缸伸出并检测伸出到位后，真空发生器供给阀打开建立负压使吸盘吸气并抓取包装箱内纵向码垛的第一片挡风玻璃，当真空发生器内负压达到设定值后，Z轴上移使挡风玻璃脱离下方支撑，待挡风玻璃完全脱离支撑后气缸缩回，完成挡风玻璃的翻转。Z轴上移到位后停止，X轴继续左移至AGV上方，X轴检测到位后Z轴下移，过程中PLC通过总线读取并计算伺服控制器中Z轴相对于Z向初始位的脉冲差值，当脉冲差值达到第一片挡风玻璃位置区间值时，Z轴停止下移，真空发生器破坏阀打开使吸盘排气并释放挡风玻璃，完成第一片挡风玻璃在AGV上的码垛。Z轴上移，机器人回到初始位，继续下一片挡风玻璃的搬运、翻转和码垛作业。对于第N片挡风玻璃，机器人的控制流程如图3。为便于理解，通过图4展示第一片挡风玻璃的搬运、翻转和码垛作业。X轴右移相对于初始位置的脉冲差值可以表示包装箱内纵向码垛挡风玻璃的位置，从左到右的挡风玻璃位置1234567 89HMI 触摸屏PLCX 轴伺服控制器Z轴伺服控制器中间继电器各种到位开关信号中间继电器AGV互锁信号X 轴伺服电机Z 轴伺服电机翻转气缸电磁阀真空发生器窑 开发研究 窑21援援新疆农机化圆园23 年第 4 期机化研究袁2018袁40渊2冤院188-191袁201.16康秀生袁杨莹袁唐学鹏袁等.仿形棉花打顶机的设计研究J.农业科技与装备袁2014渊10冤院6-17.17 孙杰袁张学军袁史增录袁等.棉花打顶机自动测距控制系统的设计J.安徽农业科学袁2015袁43渊12冤院369-370袁390.18 宋欢.棉花打顶机电动升降控制系统的设计与研究D.石河子大学袁2017.19 陈昭阳.高度自动调节棉花打顶机设计与试验研究D.中国农业科学院袁2016.20姚强强袁黄勇袁陈永袁等.单体仿形棉花打顶机的设计与试验J.甘肃农业大学学报袁2018袁53渊1冤院174-180袁186.21 罗新豫袁王吉奎袁布尔兰袁等.平推式棉花打顶机的设计与试验J.新疆农机化袁2018渊2冤院5-7袁10.22闫毅敏袁王维新袁李霞袁等.基于自动控制的棉株顶尖高度测量系统设计与试验J.甘肃农业大学学报袁2018袁53渊5冤院176-184.可以通过计算和标定来实现，并给出一定区间范围。当X轴右移相对于初始位置的脉冲差值达到第N片的区间范围时，表示X轴右移到第N片挡风玻璃的位置。同样Z轴下移相对于初始位置的脉冲差值可以表示AGV上码垛挡风玻璃的位置，从下到上的挡风玻璃位置可以通过计算和标定来实现，并给出一定区间范围，当 Z轴下移相对于初始位置的脉冲差值达到第N片的区间范围时，表示Z轴下移到位第N片挡风玻璃的位置。机器人每完成一片挡风玻璃在AGV上的码垛作业，程序计数器加1，当累加数值达到设定值时（比如8）表示机器人已完成在AGV上的8层挡风玻璃的码垛作业，此时机器人暂停工作，PLC向AGV发出联锁输出信号，AGV启动配送作业，当AGV启动离开失去到位联锁信号后，PLC将此计数器归零。机器人每完成一片挡风玻璃在包装箱里的抓取翻转作业，程序另一计数器加1，当累加数值达到设定值时（比如20）表示机器人已完成包装箱内20片挡风玻璃的抓取翻转作业，此时包装箱内已无挡风玻璃，PLC输出声光、提示工作人员更换新的装满挡风玻璃的包装箱，当工作人员将空包装箱搬运出工位时，检测开关输入空位信号，PLC将此计数器归零。以上两个计数器数值可以在触摸屏上实时显示，供作业人员查询。4 结语本文通过分析乘用车整车厂总装生产线中挡风玻璃从零部件物流区配送至目标工位区所经过的工作步骤，发现挡风玻璃从包装箱内翻转搬运至 AGV上仍需要人工完成、劳动强度较大，从而提出一种基于直角坐标机器人的方案，介绍了该机器人的主体构造、控制原理、控制流程、动作步骤和程序算法，以最少的轴数实现挡风玻璃的搬运、翻转和码垛作业，从而提供了一种低成本、可行的自动化解决方案。参考文献院1 蔡鹤皋.机器人技术的发展与在制造业中的应用J.机械制造与自动化袁2004袁33渊1冤院6-7.2 王炎欢袁陈阿三袁刘鑫茂.直角坐标机器人控制系统的研制J.轻工机械袁2010渊4冤院67-69.3 赵玉信袁沈敏德.直线运动单元技术的应用研究现状与发展前景J.山东轻工业学院学报渊自然科学版冤袁2013袁27渊4冤院54-58.4 王圆星袁郭洪月袁陈鹏袁等.基于 PLC 的机器人电气控制系统设计J.中国高新科技袁2021渊5冤院46-47.5 陈婵娟袁吴晓娥.自动化生产线监控系统中触摸屏及组态技术的应用探索J.中国新通信袁2016袁18渊3冤院94.6 叶安孝袁刘步钢.总线控制型伺服驱动器位置指令处理方法J.机械制造与自动化袁2016袁45渊5冤院198-200.Z 轴上移玻璃脱离支撑开始机器人处于初始位AGV 到位联锁输入X 轴右移X 轴达到 N 片脉冲气缸伸出真空发生器吸气负压值检测满足X 轴左移，气缸缩回X 轴左移到位至 AGV 上方Z 轴下移Z 轴达到 N 片脉冲真空发生器排气机器人回到初始位N 片码垛结束否否否否是是是是图3 第N片挡风玻璃搬运翻转码垛控制流程初始位置X 轴右移至第一片玻璃位置Z 轴下移气缸伸出吸盘抓取第一片玻璃Z 轴下移吸盘释放第一片玻璃X 轴左移至AGV 上方气缸缩回玻璃翻转Z 轴上移玻璃脱离支撑图4 第一片挡风玻璃搬运翻转码垛时机器人动作步骤（上接第 21 页）窑 棉花机械化 窑30援援