汽車機器人自動化生產線設計調試范文

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摘要：隨著中國制造業的發展，機器人在制造業中的重要性越來越凸顯。以奔馳汽車燈組五金插座的機器人自動化生產線為案例，通過1臺工業機器人實現奔馳汽車燈組五金插座的注塑機取件插模的自動化生產。研究了機器人多功能復合手爪的構成及設計要點。設計了注塑機的交互信號、系統的工作流程、機器人程序。分析了該系統各設備的問題、原因、解決方案。為注塑機取件插模自動化系統提供了設計思路和改造方案。

關鍵詞：工業機器人；注塑機取件插模；多功能復合手爪；注塑機信號改造

引言

2000年，由國家提高消費水平宏觀調控，中國汽車行業進入快速增長期[1]。面對這種情況，國際汽車巨頭紛紛進入中國市場，并在中國設立合資工廠或擴大生產，國內企業現有的規模也增加了汽車行業的投資，該行業可增加產量工業機器人的需求擴大。據不完全統計，近年來，國內廠家生產的工業機器人有超過一半是提供給汽車行業，海關進出口增長數據和汽車行業增長數據具有較高的相關性[2-3]。2015年，中國工業機器人銷售量為6.85萬臺，同比增長18%（圖1）。工業機器人在國內的應用以汽車和電子工業居多，此外還有橡膠塑料、軍工、航空制造、食品工業、醫藥設備、金屬制品等領域。從應用行業看，汽車行業依舊是中國工業機器人市場最大的消費行業，電氣機械和器材制造業位居第2位，金屬制造行業位居第3位（圖2）。

1設計依據

原有汽車燈組五金插座的生產，是人工將五金片的模芯插入注塑機，注塑完成后，人工取下成品。不僅效率低下而且工傷風險高，迫切需要對原生產模式進行改造，實現自動化生產。

1.1基本要求

（1）采用一臺機器人、多個工位、配置機器人輔助夾具外加上下料裝置實現自動化生產。（2）工作站相對獨立，并通過生產線匹配的電、氣、水路接口聯系多個工作站進行生產。（3）工作站系統簡潔實用，便于操作，易于維護，具有安全防護功能。（4）設計為標準爪式夾具，剛性定位強，裝卸件方便。（5）機器人外圍關鍵設備采用航插連接，安裝、運輸、維護都方便。（6）上下料前后合格件、廢件在工作站內部不做檢驗，保證上下料品質的穩定性、加快生產效率，提高產量。

1.2工藝要求

原生產工藝：（1）人工進行五金片折彎、剪斷；（2）人工進行4根五金片插入模芯毛胚（圖3、圖4）；（3）將有五金片模芯毛胚插入放入五金注塑機內；（4）等待五金注塑機工作完成后，人工拔出帶模芯成品以及注塑水口（圖5）；（5）人工將模芯毛胚與成品分離（圖3、圖6）；（6）人工將成品放置到成品箱。節拍目標為25s。根據從注塑機輸入輸出的I/O時間、模具開閉時間、機器人接近速度不同，成品分離時間、節拍可能會有變化。

2設計方案

2.1系統簡介

以1臺機器人+1臺五金砸片機+1臺注塑機+1臺分離臺組成汽車燈組五金插座自動化生產線。

2.2注塑機信號改造

根據自動化生產的需求，需要對注塑機追加部分安全信號、功能信號，如圖8所示[4-7]。

2.3機器人手爪設計

該手爪須完成成品物料以及注塑水口的正常取出，再把帶有五金片的模芯放入單模芯與模腔裝配精度在±0.02mm的模腔內，然后退出注塑機完成上下料工作。其中手爪設計思路流程為：手爪先負責模芯夾爪定位抓取帶五金片模芯，由模芯頂料機構限位后，經機械手搬運至注塑機。通過成品夾爪把模腔內的成品取出，并取出注塑水口。再由機械手轉換至模芯夾爪進行復合模具中精準放料，并由模芯頂料機構完成最終的頂料推送到位。然后機械手退出注塑機完成上下料工作[8]。圖9所示為手抓總裝圖，圖10所示為手抓功能分裝圖。

2.4生產流程

圖11為生產流程圖。（1）五金砸片機：人工放入模芯，將五金片插入模芯。（2）注塑機：機器人放入模芯，注塑出汽車燈組五金插座。（3）成品分離機：將汽車燈組五金插座和模芯分離。

2.5機器人程序設計

機器人完成的工作如下：（1）取五金砸片機的帶五金片的模芯。（2）取注塑機成品和水口。（3）將帶五金片的模芯插入注塑機。（4）將水口丟棄至托盤。（5）將成品放入成品分離臺。機器人程序流程設計如下：（1）初始設定。選定坐標系、初始化信號、設定機器人負載。（2）五金砸片機工作。機器人從原點出發進入五金砸片機、機器人取出帶五金片的模芯、機器人退出五金砸片機。（3）注塑機工作。機器人進入注塑機、機器人取出成品和水口、機器人將水口丟棄至托盤、機器人插入帶五金片的模芯。（4）成品分離臺工作。機器人移動至成品分離臺、機器人將帶模芯的成品放入成品分離臺、機器人退出成品分離臺、機器人返回原點。重復（2）～（4），直到循環停止[9-10]。

3問題及解決方案

（1）問題1：五金砸片機剪斷模具未修整好，導致五金片出現毛刺、錯位、五金粉塵殘留。解決方案：其中毛刺及錯位產生原因是沖壓剪切面不平整，經過修整剪切頂針修整以及增加五金片定位頂針，保證五金片定位精確后再進行剪切。五金粉塵殘留產生原因是剪斷五金片后沒及時清理，因此增加吸氣清理功能，在五金片剪斷后進行負壓吸氣清理。（2）問題2：原沖壓氣缸規格較小，沖壓折彎角度未能達標，而導致后期插片工序不能準確插入。解決方案：更換沖壓氣缸規格以及使用杠桿機構增加壓力，經改動五金片合格率為100%。（3）問題3：置模芯的回旋氣缸安裝底座所用螺絲過小，導致模芯回轉時帶動底座，引起整體旋轉過度，因此五金插件不穩定。解決方案：增加固旋轉氣缸安裝底座定位塊，令旋轉氣缸底座有更好的限位（圖12）。（4）問題4：因回轉氣缸回轉時帶動底座導致機器人抓取模芯不穩定。解決方案：后期因整改旋轉氣缸后以解決該問題。為機器人更好抓取模芯，對機器人模芯抓取手指增加仿形卡扣，并增加工業橡膠墊避免損傷模芯（圖13）。（5）問題5：因機器人抓取不穩定，導致自動運行70~100次循環后會出現機器人模腔內上料撞機。解決方案：經整改機器人手爪、機器人工作位置程序優化以及模芯放置臺改造后，以順利解決問題。（6）問題6：因機器人在膜腔內有推料機構，機器人程序運行退出時有概率會帶出五金片。解決方案：整改機器人模腔程序，調整精準度，并對整體運行程序進行優化，提高機器人運行速度10%。（7）問題7：成品分離臺不穩定是因為帶成品模芯放置到分離臺后，模芯放置基準不正確。導致分離臺工作頂絲頂緊模芯不正確，從而分離成品不成功（圖14）。解決方案：以模芯底部為標準，并以模芯接觸面做仿形，保證模芯放入分離臺后有足夠的定位面（圖15）。（8）問題8：原設計五金砸片機、機器人手爪、成品分離臺以及機器人程序優化不理想，導致生產過程中出現各種問題。解決方案：經對五金砸片機、機器人手爪、成品分離臺以及機器人程序的調整后以將整體運行循環節拍削減至18s。讓機器人進行完五金砸片機取料、分離臺取放成品及模芯、成品放置到傳送帶后等待注塑機注塑完成開模，并相對原計劃產量整體提高35%。

4結論

在該汽車燈組五金插座自動化生產線的設計中，保證五金片的折彎角度、模芯插件后的裝配精度以及注塑機與機器人人信號交互式核心問題。非標設備的裝配精度以及相對合理性是把握整體項目的關鍵，根據現場實際調試要求，調整非標手爪以及整體機器人程序。該設計滿足直接用戶的生產節拍需求。

參考文獻：

［1］馬光，申桂英.工業機器人的現狀及發展趨勢［J］.組合機床與與自動化加工技術，2002（3）：4.

［2］曾孔庚.工業機器人技術發展趨勢［J］.機器人技術與應用，2006（06）：10-13.

［3］杜志俊.工業機器人的應用及發展趨勢［J］.機械工程師，2002（5）：8-10.

［4］唐立平.基于PLC的四自由度機械手控制系統設計［D］.無錫：無錫職業技術學院，2007.

［5］陳忠華.可編程控制器與工業自動化系統［M］.北京：機械工業出版社，2006.

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［7］王巍，汪玉鳳.基于PLC氣動機械手研究［J］.遼寧工程技術大學學報，2005（06）：55-68.

［8］孫樹棟.工業機器人技術基礎［M］.西安：西北工業大學出版社，2006.

［9］吳振彪.工業機器人［M］.武漢：華中科技大學出版社，2004.

［10］謝存禧，張鐵.機器人技術及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2008.

作者：梁赟 羅子健 單位：上海發那科機器人有限公司