打磨清洗工业机器人系统的应用
2022-11-30乔广通
熊 隽 乔广通
（1.泸州职业技术学院 智能制造与汽车工程学院，泸州 646000；2.山东省机械设计研究院，济南 250031）
随着装备制造产业的转型升级，紧跟智能制造产业自动化、智能化和数字化的发展趋势，工业机器人协作的柔性智能生产线应用越来越广泛[1-2]。图1为工业机器人智能生产线，由多台ABB IRB1410机器人、数控车床、数控加工中心、视觉系统、自动打磨台、自动清洗台以及检测台等组成。机器人1在数控车床和数控加工中心之间进行零件自动加工的上下料工作，并把加工完成的零件放到下料机构上。机器人2负责对下料机构传送过来的已加工零件进行自动打磨，放到自动清洗台中进行超声波清洗。清洗完成后，由机器人3负责将工件取出、烘干以及到检测台进行尺寸检测，并根据检测结果进行分拣。
图1 智能生产系统构成图
本文对负责打磨清洗的工业机器2应用进行详细介绍。机器人2处于智能生产线中端，其末端执行器直接由机器人标准输入/输出（Input/Output，I/O）板的数字信号接口进行控制[3]。打磨、清洗等设备，通过外部的西门子可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）进行控制。为实现准确抓取，下料机构上方安装有工业视觉系统，对零件位置进行准确测量。所有机器人、PLC以及视觉系统通过以太网组成工业网络，实现实时通信[4]。
1 打磨清洗工业机器人工作流程
打磨清洗机器人工作流程，如图2所示。将生产线转换到自动运行模式后，按下启动运行按钮，机器人执行初始化程序，先判断机器人是否在原点位置。若不在则自动回到原点等待，再将自动运行信号与中断程序触发关联起来。只要自动运行信号转换为0，即可停止工业机器人运行。
图2 智能制造生产线工作流程
待下料机构零件到位后，发送允许取料信号给机器人。机器人在取料位置上方，利用工业视觉系统进行精确定位，修正工件坐标偏移量后准确抓取工件。此时抓取的零件，打磨位置与机器人手爪夹持位置相同[5]。机器人需要到翻面装夹台将工件进行翻面装夹，留出打磨位置进行自动打磨。打磨完成后，判断超声波清洗框内是否没有工件，并判断机器人3是否不在清洗框内取工件。若条件满足，机器人将零件放入清洗框，返回原点等待下一次打磨清洗工作的执行。
2 打磨清洗工业机器工具
2.1 机器人手爪
为提高生产节拍，工业机器人手爪设计为如图3所示的双工位手爪。机器人手爪工作前，将手爪连接法兰盘、法兰连接件和快换盘机器人侧共同构成的机器人连接部件安装到工业机器人末端法兰上，其他零部件组合起来放在工具支架上。
图3 工业机器人手爪结构
需要使用该手爪时，利用电磁阀控制，使快换盘机器人侧与工具侧精密吸合，即可实现手爪的快速拆装。任意工位抓取工件时，只需要机器人发送信号给控制圆形气缸的电磁阀，使其控制气缸带动手指收拢即可。为保证手爪已完全张开或已完全夹紧，安装了两个磁性传感器用于气缸张开和夹紧的检测。
2.2 翻面装夹台
翻面装夹台主要由支撑架和台阶型的V形块组成，用于工件的翻面装夹[6]。待机器人在下料台抓取零件后，将零件侧放于V形块上，如图4所示，再运行到零件另一端重新夹持零件。
图4 翻面装夹台V形块
3 工业机器人通信
3.1 工业机器人数字通信信号分配
本打磨清洗机器人选用ABB IRB1410机器人，使用DSQC652标准I/O板。该板卡有独立数字输入输出接口，支持DeviceNet总线通信协议。为方便控制，需要设计每个通信信号的接口、名称以及信号内容等。设计机器人标准I/O板数字输入、数字输出接口通信信号如表1所示。数字输入信号主要为手爪两个工位气缸张开、夹紧的磁性开关检测信号。数字输出信号主要为两个工位气缸和快换盘动作的控制信号。
表1 标准I/O板数字输入信号分配
3.2 DeviceNet总线通信信号分配
其他信号由西门子PLC与机器人通过总线进行通信。西门子PLC支持Profibus总线，ABB机器人支持DeviceNet总线[7]。为了两个设备能正常通信，在两个设备之间使用PD-100网关进行协议转换转接，连接方法如图5所示。
图5 PLC与机器人总线通信连接
利用总线通信的信号，主要包括视觉系统检测获取的抓取位置X偏移量、位置Y偏移量和PLC传递的协作控制信号[8]，具体信号如表2所示。
表2 总线通信信号分配
4 工业机器人控制程序
ABB机器人的控制程序为RAPID程序，存放在程序模块。一台机器人可新建多个普通程序、中断程序和功能程序，用于实现不同控制功能。本文应用于打磨和清洗的机器人，为了控制逻辑清晰，容易识读和后期维护，设计的具体程序如表3所示。
表3 例行程序列表
5 结语
工业机器人是智能制造的生力军，应用场景广泛。本文阐述的工业机器人打磨清洗应用，将自动化、数字化以及智能化技术结合起来，已在实际生产中应用，效果良好，可实现无人化柔性生产。生产应用具有代表性，可24 h不间断工作，不仅节约了人力成本，还避免了人为失误，大大提高了生产效率和生产质量，具有极高的推广价值。
