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摘要：結(jié)合實驗室ABB IRB 1410型機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產(chǎn)線，為之搭建了相應(yīng)的上下料系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對ABB IRB 1410機器人進行了上下料軌跡的規(guī)劃，進而利用RobotStudio軟件進行了機器人自動化上下料離線仿真，并開展了機器人在線上下料模擬實驗，為機器人上下料技術(shù)的自主開發(fā)提供了實驗范例和技術(shù)支撐。

北京深隆科技有限公司的主要產(chǎn)品及服務(wù)為機器人智能涂裝線、工業(yè)機器人應(yīng)用及成套裝備、涂裝自動化生產(chǎn)線集成三大系列，以解放低端勞動力、改善有害工作環(huán)境為導(dǎo)向，以工業(yè)機器人集成應(yīng)用為基礎(chǔ)，以行業(yè)應(yīng)用的個性化方案定制為核心，業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括3C產(chǎn)品、汽車零部件等表面處理、重工、軍工、航空、新能源等行業(yè)。產(chǎn)品包括：工業(yè)機器人噴涂生產(chǎn)線，自動涂裝生產(chǎn)線，全自動點涂膠機器人, 自動上下料機器人 自動玻璃點涂膠機器人，自動鎖鏍絲機器人，自動上下料機器人、 CCD視覺定位鎖鏍絲機,工業(yè)機器人配件、機器人工裝，夾具，氣動夾具，氣動工裝，氣動模具，裝配夾具，裝配卡具等。技術(shù)咨詢：18001130868 18001197956

汽車車身的金屬件幾乎100%是沖壓件，因而汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線自然成為汽車企業(yè)中最核心的生產(chǎn)線[1]。長期以來，為獲得規(guī)模性效益，全球汽車企業(yè)一直延續(xù)大批量、單一化的生產(chǎn)模式，機械手高效沖壓線是汽車大型沖壓設(shè)備的主要形式[2]。然而，隨著消費者對車型個性化和高品質(zhì)的追求，汽車覆蓋件自動化沖壓從大批量、單一化的剛性生產(chǎn)模式正悄然向小批量、多品種生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變[3-4]。為適應(yīng)此生產(chǎn)模式，實現(xiàn)“一線多用”的可持續(xù)沖壓發(fā)展目標(biāo)，由視覺自動識別和智能協(xié)調(diào)等系統(tǒng)組成的“柔性沖壓自動化生產(chǎn)線”越來越為汽車制造企業(yè)所認可[5]，但相關(guān)技術(shù)一直被國外企業(yè)壟斷。2007年，濟南二機床集團自主研發(fā)、制造和集成出我國首條大型機器人自動化沖壓生產(chǎn)線[6]，但所配備的機器人并非國產(chǎn)，核心技術(shù)依然尚未掌握。

作為汽車制造四大工藝之首的沖壓工藝，若其生產(chǎn)線采用柔性化傳送系統(tǒng)，可以顯著提高沖壓效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低綜合制造成本[7]。其中，柔性化沖壓的代表設(shè)備——工業(yè)機器人，可確定靈活工作空間中任意一點位姿[8]，能最大程度地保證沖壓工藝的通用化和自動化;先進輔助技術(shù)的重要組成部分——視覺對中系統(tǒng)，可以充當(dāng)機器人眼睛，能更好地實現(xiàn)物料傳送的柔性化和智能化[9]。

本文將結(jié)合實驗室現(xiàn)有ABB IRB 1410型機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產(chǎn)線機器人上下料系統(tǒng)，搭建與其相應(yīng)的上下料平臺系統(tǒng)，一定程度上實現(xiàn)旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過程的在線作業(yè)，并開展機器人離線、在線上下料模擬實驗，為機器人上下料技術(shù)的自主開發(fā)提供實驗范例和技術(shù)支撐。

1 機器人上下料系統(tǒng)的搭建

如圖1所示機器人上下料系統(tǒng)由5部分組成：機器人系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

1.1 機器人系統(tǒng)的搭建

機器人系統(tǒng)的各主體單元包括：ABB IRB 1410六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機器人、FlexPendant示教器、IRC5控制柜、RobotStudio/RobotWare離線編程軟件和機器人手冊。

1.2 真空系統(tǒng)的搭建

汽車覆蓋件大而輕、薄而堅，非常適合采用真空吸附的工作原理來實現(xiàn)抓取[10]。由于ABB IRB 1410機器人沒有配套的端拾器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此，與端拾器相關(guān)的真空系統(tǒng)元件需要自行選購，其選購原則及結(jié)構(gòu)如下：

(1)根據(jù)實驗所搬運的矩形板料的重量，吸盤的數(shù)量、最小估算尺寸以及氣路耗損等因素，選用能夠提供-85 kPa真空度的施邁茨真空泵。

(2)根據(jù)所選用的真空泵、吸盤的數(shù)量、實驗所搬運材料的重量、吸盤的吸取方式，經(jīng)過計算，選購直徑為30 mm的施邁茨真空吸盤。

(3)真空開關(guān)可用來檢測真空系統(tǒng)的氣壓強度，緩沖支桿能調(diào)整端拾器的垂向壓縮量。因此，根據(jù)實驗需求，選購施邁茨真空開關(guān)1個、施邁茨緩沖支桿4只。

(4)電磁閥控制氣路的通斷，因本真空系統(tǒng)提供的是負氣壓，故不能選取工作壓強為正的先導(dǎo)式電磁閥，而宜選用直通式電磁閥。本系統(tǒng)選用二位三通直通式電磁閥。分路塊是端拾器必備的氣路分流元件，根據(jù)吸盤數(shù)目選購6孔的分路塊。

根據(jù)以上元件的選擇，搭建真空系統(tǒng)主要氣路連接如圖2所示。

1.3 機械系統(tǒng)的設(shè)計

機械系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及端拾器和上下料平臺的設(shè)計。如圖3所示為ABB IRB 1410機器人手腕承載圖，圖4所示為吸盤在板料上的布置圖。

根據(jù)圖3所示機器人手腕承載情況，選定端拾器質(zhì)心位置及加工材料。根據(jù)圖4吸盤在板料上的布置圖，設(shè)計端拾器為完全對稱結(jié)構(gòu)。最終設(shè)計完成的端拾器三維模型如圖5所示。此端拾器的質(zhì)心與機器人法蘭盤中心點沿Z方向的距離為70 mm，端拾器質(zhì)量為2.63 kg，所加工板料每張質(zhì)量為1.3 kg，總體質(zhì)量未超過4 kg。

如圖6所示為機器人原點位姿下的工作空間。

根據(jù)圖6所示機器人的工作空間，設(shè)計上下料平臺與機器人之間的位置關(guān)系如圖7所示。

進而，設(shè)計上下料平臺整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，上料平臺自上而下主要由對尺桌面、上料托板和支架組成;下料平臺自上而下主要由模具桌面、下料托板和支架組成;由槽鋼將上、下料平臺連成一個整體結(jié)構(gòu)并與地面固定。最終整個機械系統(tǒng)三維模型如圖9所示。

1.4 視覺系統(tǒng)的搭建

若為沖壓自動化生產(chǎn)線加入視覺對中功能，則其可以相當(dāng)于將多條專一性的生產(chǎn)線合為1條多功能自動化生產(chǎn)線，只需更換視覺對中程序，機器人便可自動對中不同形狀的汽車零件。國外機器人公司已將這項技術(shù)模塊化，應(yīng)用方便，但費用較高，國內(nèi)企業(yè)目前尚未自主開發(fā)出應(yīng)用于汽車沖壓生產(chǎn)線的視覺自動對中技術(shù)。

機器人視覺對中上下料的工作原理為：工業(yè)攝像機將抓拍到的板料圖像傳送到PC機，圖像處理系統(tǒng)將其與標(biāo)準(zhǔn)圖像進行比對獲得矯正數(shù)據(jù)(位置/角度偏差)，人機交互系統(tǒng)將偏差值轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人可識別的指令，自動調(diào)整機器人的抓取位姿。

根據(jù)所需拍攝工件的工作狀態(tài)、外形尺寸、下料平臺模具桌面內(nèi)的對尺槽精度，并綜合考慮位置和偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差，機器人的上下料頻率、周期及工作現(xiàn)場的光線情況等因素，選擇維視MV-2000UC彩色攝像頭。

根據(jù)所搭建的上下料平臺鏡頭和板料之間的高度及攝像頭的視場，選擇H0514-MP型號、焦距為5 MM的定焦工業(yè)鏡頭。安裝完畢的工業(yè)攝像機如圖10所示。與其對應(yīng)的人機交互控制軟件的主界面如圖11所示。

1.5 電氣系統(tǒng)的開發(fā)

機器人上下料實驗真空系統(tǒng)由真空泵、分路塊、二位三通直通式電磁閥、真空開關(guān)、真空吸盤、緩沖支桿等構(gòu)成。此系統(tǒng)電氣控制原理如圖12所示。

2 ABB機器人上下料離線仿真實驗

將利用SolidWorks軟件設(shè)計的上下料平臺和端拾器三維模型導(dǎo)入ABB專業(yè)離線仿真軟件RobotStudio環(huán)境中，添加系統(tǒng)自帶的ABB IRB 1410型機器人實體模型。

按預(yù)期設(shè)計方位安放上下料平臺，因機器人末端的軌跡規(guī)劃需避讓上料平臺上的攝像機支架，因此安裝端拾器時，短邊尺寸朝向支架，且端拾器位姿保持不變。

2.1 機器人上下料軌跡規(guī)劃

如圖13所示為機器人上下料軌跡示意圖，假設(shè)機器人上、下料中心點的位置分別為P30、P40，令處于原點位姿下的機器人手腕向下旋轉(zhuǎn)90°，設(shè)此時吸盤底面所在平面與法蘭盤中心線的相交位置為P10，即端拾器底面中心O，機器人處于抓取板料待命狀態(tài)。機器人自O(shè)點運行到上料平臺中心上方P20點，而后下降至上料平臺中心點P30，吸取板料，繼而回升至P20點，此為取料過程;令機器人自O(shè)點從P20點平移至下料平臺中心上方P50點，為實現(xiàn)上下料過程中機器人快速平穩(wěn)的運行，機器人從上料平臺到下料平臺之間的運動軌跡規(guī)劃為直線，此為搬運過程。機器人自O(shè)點從P50點下降并與下料中心點P40重合，釋放板料，繼而回歸P50點，此為放料過程。

取料、搬運、放料過程循環(huán)10次后，為防止回原點過程中端拾器與下料平臺發(fā)生碰觸，首先令機器人O點先從P40上升到P60點，然后再令各軸回歸零位，由此完成機器人上下料軌跡的規(guī)劃。

2.2 離線仿真實驗

在實現(xiàn)物料搬運的離線仿真過程中，設(shè)置機器人的6個位姿點，機器人取料過程和放料過程的離線仿真結(jié)果分別如圖14、圖15所示。

采用C#語言編制人機交互軟件中的機器人控制部分，需在RobotStudio軟件中進行控制信號的測試。因此，建立1個仿視覺數(shù)組，每當(dāng)控制器請求插補信息時，服務(wù)器隨機從建立的數(shù)組中輸出數(shù)字傳入控制器，機器人收到控制器傳來的仿視覺信號，其流程如圖16所示。

按照圖16所示的流程經(jīng)運動仿真發(fā)現(xiàn)：控制器向服務(wù)器發(fā)送請求信號后，將其返回的視覺插補信號傳遞給機器人，機器人接收到視覺插補信號指令后便迅速到達指定位置。由此保證了在后續(xù)的人機交互界面軟件控制下的視覺對中實驗中，機器人將能夠受控于由圖像處理程序傳來的矯正信號。

3 ABB機器人上下料在線模擬實驗

根據(jù)機器人上下料軌跡規(guī)劃，擬定機器人上下料任務(wù)流程，如圖17所示。

根據(jù)圖17的任務(wù)流程進行上下料實驗。在實驗過程中，為保持上下料動作平穩(wěn)快速，機器人每段軌跡都盡量規(guī)劃為最短直線;為保證吸盤施力均衡，機器人法蘭盤始終與地面垂直，取料時端拾器中心處于板料中心位置;為盡量消除偏置載荷和扭矩的影響，機器人在運行過程中，第六軸主動調(diào)整轉(zhuǎn)角以使端拾器姿態(tài)不變，同時要注意與攝像機支架之間留有安全余量，且軌跡平滑，不能有多余的停頓點。機器人在線上下料實驗如圖18所示。

為能更好地實現(xiàn)物料傳送的柔性化和智能化，在原有的機器人上下料系統(tǒng)中加入視覺對中技術(shù)。加入視覺對中技術(shù)的沖壓自動化生產(chǎn)線，柔性化程度和生產(chǎn)效率都更高。本次機器人視覺對中柔性上下料實驗的上下料頻率為10次/min，中間搬運行走速度為1 000 mm/s。

如圖11所示實驗過程中的人機交互界面，包括機器人控制(1)、實時監(jiān)控(2)、圖像處理(3)3個基本模塊。其中，圖像處理部分將3個矯正參數(shù)傳給機器人控制部分，控制部分再將視覺信號傳遞給機器人控制器，機器人每次以正常位姿到達上料中心后，再聽從控制器傳來的矯正指令調(diào)整端拾器的位置和姿態(tài)，準(zhǔn)確抓取板料的正中心，然后在移出上料區(qū)域的過程中調(diào)整為正常姿態(tài)，最終將板料放入模具中。

4 結(jié)語

本文根據(jù)實際工況要求和約束條件完成了沖壓線上下料機器人系統(tǒng)的搭建，完成各零部件的設(shè)計和選購，為機器人上下料模擬實驗的開展奠定了平臺基礎(chǔ)，同時也為汽車沖壓線機器人上下料實驗系統(tǒng)的搭建提供了范例參考。

在所搭建的實驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對ABB IRB 1410機器人進行了上下料軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)了機器人上下料離線仿真。所開展的機器人上下料在線實驗，模擬了機器人的上下料過程，實現(xiàn)了圖像處理和人機交互控制技術(shù)的集成。機器人上下料實驗的順利完成為機器人上下料技術(shù)的自主開發(fā)提供了實驗范例和技術(shù)支撐。