机器人上料自动化在汽车发动机缸盖加工线的应用

钱涛

摘 要：随着人口老龄化以及劳动力的逐渐减少，劳动密集型制造企业用工成本逐年升高，以自动化设备代替人工的需求迫切，另一方面，随着机器人及图像识别产业的日趋成熟以及制造成本的不断下降，“机器换人”的经济性也逐渐凸显。文章将介绍汽车行业中，机器人上料自动化装置在发动机加工线的应用。

关键词：机器人;自动化;图像识别;发动机加工

中图分类号：460.2599  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-181-05

Application Of Robot Feeding Automation Devices In The Production Line

Of Cylinder Head

Qian Tao

（GAC TOYOTA Engine CO.， LTD. Manufacturing Department， Guangdong Guangzhou 511455）

Abstract： As the population ages and the labor force decrease gradually， the labor cost of labor-intensive manufacturing companies has increased year by year. Hence the need to replace manual labor with automated equipment is urgent. On the other hand， the robot and image recognition technique have matured and their costs have continued to decline. Therefore， the economics of "machine substitution" are becoming more and more prominent. This article will introduce the application of robot feeding automation devices in the production line of cylinder head.

Keywords： Robot; Automation; Image recognition; Engine cylinder process

CLC NO.： 460.2599  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-181-05

引言

我司2018年開始进行汽车发动机产品、产线全面升级，结合“中国制造2025”战略，重点推进发动机生产线自动化的引进。针对发动机箱体生产线，除实现加工设备自动化外，对上料工位也要采用自动化上料装置。以前旧箱体加工线采用手工上料，自动化程度低，占地面积大，工件（滚动）噪音大。本装置就是为了提高自动化程度、减少人工成本、降低岗位噪音、改善环境，可实现自动、手动两种功能。

1 方案设计

根据规划，设计产能为18000台/月，节拍为48s/台，全自动作业，必须满足两种产品柔性、高效生产要求，在机器人故障时可快速后备作业，因此要全面考虑工件收纳形态、料笼配送、生产线布局、机器人选型、图像识别、工件抓取、生产指示、安全防护、硬软件系统、人机界面、工艺流程及程序、手动（后备）作业等要求。

1.1 工件及收纳形态

本文对象工件为发动机铝合金缸盖毛坯，有两种产品，自行铸造生产，分别层叠摆放在标准仓库笼中。仓库笼尺寸1200×1000×750mm，分别可以收纳40件与32件（图1）。毛坯与毛坯、料笼之间均预留间隙，防止收纳、抓取时干涉;同时，间隙不能过于宽松（要小于工件尺寸的一半），防止搬运中工件倾倒，影响抓取。

1.2 物料配送

仓库笼放在定制台车上，台车四周有四个直角挡块，起定位及防止料笼滑落作用（图2），仓库笼与台车的定位偏差量在50mm以内，物流人员将带料笼的台车从铸造车间用牵引车配送至加工线指定区域，再由生产线人员手动将台车推入到设备内料框定位处。

1.3 设备整体构成及布局

设备外形尺寸（长×宽× 高）：6055×5860×2400mm，采用机器人配合定制夹具及相机识别系统，对笼内工件拆垛抓取，放到指定位置，打刻（二维码）后通过自动辊道送往加工设备。为满足多产品生产要求，采用多关节机器人，地面固定式安装，采用1台机器人对应2种产品的布局，左右分别是两种不用产品的仓库笼，机器人在中间，分别设计了后备投入辊道对应后备生产（图3）。

1.4 机器人选型

根据式样以及稳定性等指标，机器人选用发那科R- 2000ic/165F，6轴多关节，操作空间可达半径2655mm，机器人有效负载165KG，而产品重量在20kg左右，机器人重复定位精度±0.05mm，满足现场使用需求。

1.5 台车料笼定位

考虑到料笼在台车上的偏差，为消除料笼的位置偏移造成抓取效率低，在两侧安装上导向及定位条，确保左右偏移量在50mm以内，前端安装一个到位行程开关，确保台车推到合适的位置（图4）。要确保左右方向偏移量在100mm以内，前后偏移量在50mm以内，最大程度确保识别及抓取效率，降低风险。

1.6 识别及工件夹取

考虑到在收纳、搬运过程中的台车振动导致的工件位置偏移以及仓库笼（台车）的定位偏差，采用2D相机识别定位，采用发那科R-30iB 2D相机，接入机器人控制系统与机器人联动，相机安装在夹爪前端，选取缸盖中间的火花塞孔作为工件识别特征点（图5）。为消除Z方向误识别的影响，通过工件、料笼、台车三者之间的定位偏移量调整相机识别范围，确保机器人逐层按顺序进行工件识别、记忆及工件夹取。

1.7 工件夹取

根据产品特征以及收纳时的状态，夹爪设计成抱夹式，夹取产品中间位置，可有效防止与仓库笼及产品之间的干涉撞机;夹爪行程可调，可满足2种产品需求;在夹爪中间安装了弹性在位检测机构，防止产品少夹或过夹;为适应产品的轻微倾斜，在机器人与夹爪间设计了浮动单元; 考虑到料笼中工件极端状态，在夹爪末端设计了防挂笼装置，防止机器人强制动作导致设备损坏，确保人员安全;夹爪前端安装了缸盖位置识别、校正相机，抓取缸盖前先拍照，根据成像校正缸盖位置后再进行抓取（图6）。

1.8 生产指示及刻印

该单元主要作用是刻印机从生产管理控制系统（统括盘）接受产品信息，将信息发送给机器人正确抓取，同时将包含生产日期加工顺序的信息以数字码及二维码形式刻印在缸盖上，便于后续加工的指示以及追溯。

1.9 安全防护

在机器人四周设置了安全围栏，采用30型材作为骨架，网格为碳钢激光切割材料，高度2400mm，在两侧送料口各设置了安全光栅，确保作业者误进入时机器人立即停止，在围栏内设置了一组区域传感器，确保换笼作业时机器人不会因误操作及其他原因作动到换笼区域。维修点检门在前侧，配有安全锁与机器人联锁，门打开时机器人动力切断，整套装置操作盘设在侧面，可以边操作边观察设备内情况（图7），保证作业安全。

2 系统组成

2.1 硬件系统

本系统硬件由丰田工机PLC和DM组成。其中PLC为丰田工机TOYOPUC-Plus，安全控制PLC为TOYOPUC- PCS-J，DM操作盘为FP-07XXGS系列，硬件组态如图8所示。

2.2 软件系统

软件平台采用windows XP，编程软件为 PCwin，安全PLC编程软件为PCwin-Safe2，普通PLC与安全PLC之间通过I/F电缆连接，与操作盘DM之间的通信协议为Ethernet，与安东之间的通信协议为EtherNet/IP，与扫码器及其他区域的通信协议也为EtherNet/IP，打刻机与PLC的通信协议为SIO模式，RS-232C协议。

3 工艺流程及程序

3.1 基本流程

基本流程主要由3部分构成：正常运转流程、换笼作业流程、后备作业流程。

3.1.1 正常運转流程

正常运转流程从原位置开始，到工件送入到加工设备作为一个完整循环（图9）。

3.1.2 换笼作业流程

换笼作业流程从报警指示发出到再开始准备作为一个循环（图10）。

3.1.3 后备作业流程

后备作业流程从机器人操作按钮切换无效到启动开关作为一个循环（图11）。

3.2 编写梯形图

正常自动运转系统控制系统图如图12所示。

换笼作业系统控制系统图如图13所示。

后备作业控制系统图如图14所示。

3.3 安全回路

机器人与安全栅（光栅、区域传感器）、检修门安全锁、急停开关均有互锁，确保异常时机器人立即停止，回路如图15所示。

4 人机界面

操作屏画面由单动画面、工件信息、状态表示、前后工程互锁、安全I/O监视、循环显示器、PLC工具等画面组成，如图16图17所示。

图18是产品料笼工件信息的画面，亮绿色表示该位置有工件，该位置无工件后亮红色，可使用“单动+运转准备”对该画面进行工件数量的修正。该画面还会指示机器人到产品下一工件的位置和料笼剩余工件数。

5 调试及试运转

5.1 通信建立

主要是丰工TOYOPUC-Plus通过RS232C与M4打刻机通信调试。

5.1.1 通信线连接

5.1.2 打刻机通信参数设置

5.1.3 打刻机通信参数设置

5.1.4 通信步骤

a.通信规格设定b.模块重置释放c.通道复位d.发送接收授权打开e.SIO状态读出f.在SIO中写入发送数据然后发送。

5.2 调试、运转

开机空运转，通过画面操作观察PLC输出点的状态，与设计动作一致后再进行带工件的单动示教，确保各工件正常抓取。单动调试合格后再进行整笼抓取，期间连续做了25笼（1000件产品）的测试，不断修正料笼工件识别及抓取的状态，做到正确识别及抓取率99.99%，满足后面量产需求。

6 结论

经过半年的投入使用，整个自动上料系统运行可靠，满足2班连续生产要求，自动手动切换快捷，实现了高效生产要求，安全功能有效保护设备及作业者安全，满足安全生产要求，使成熟的自动化控制技术更好的应用于生产，为公司下一步数字制造转向智能制造打下坚实基础。

参考文献

[1] 李雪静，杜玉红.小型搬运机械手结构及PLC控制系统的设计[J].装备制造技术，2010年03期：58-66.