基于搬运机器人的模具输送系统设计与实现
2017-7-24 来源： 北京机械工业自动化研究所 作者： 郑洪强，王海涛，员俊峰，宋 鑫
摘要：本机器人输送系统可完成对高温绝缘端子模具与工件的自动化输送与定位，设计安装一套机器人快换手爪装置，实现对不同工件和模具的抓取任务。能减少人工劳动强度，保障工人安全并提高生产效率。
关键词：输送链；快换手爪；机器人；控制系统
0.引言
高温模具输送系统是我所依据某企业客户高压绝缘端子生产和输送的需求，针对高温模具与高温工件研发设计的一套机器人搬运与定位系统.系统由两条输送链,一台搬运机器人，两套快换手爪，一套扫码装置及周边安全防护系统组成。采用扫码识别不同模具，变频器和伺服电机组合定位。系统操作方便、定位准确、便于线体扩展和增加模具种类。从技术和工艺上完成了高温模具和工件的运输要求。
1.系统构成
该系统将变频输送、伺服定位与机器人搬运相结合，将高温模具与工件按照生产要求进行定向混合输送。模具输送如图1所示。
图1 模具位置
系统由进料输送链、出料输送链、机器人搬运系统和周边防护组成。进料链用于向分模工位输送含工件的模具，进料口设置条形码读写系统，读取模具信息以保证不同大小的模具可随机输送。模具抓取位置加定位气缸配合机器人定位抓取。
搬运机器人由机器人本体、手爪快换装置和两套手爪组成。根据抓取工件或模具的不同信号，机器人快换装置更换不同的手爪进行抓取。模具手爪采用定位气缸抓取，工件手爪采用伺服电机对工件进行高度定位，通过快换装置保证两手爪信号的准确和稳定。本装置减少了机器人使用数量，解决了一台机器人无法抓取异类产品的难题，降低了工业投入成本，从技术上保证了搬运的质量和效率。
出料输送链采用工件和模具交替输送，机器人自动识别放置工位分别放置高温工件或模具。同时，系统在出料口设置安全联锁，用于保证系统的安全运行，系统布置图如图2所示。
图2 系统布置图
2.控制流程
本系统采用西门子315-2DP的PLC控制器和9寸触摸屏，加配对应的输入输出模块进行信号的采集和控制，在PROFIBUS总线连接远程分站与脉冲输出模块，控制伺服电机行走位置。同时通过DP总线与机器人进行数据交互与信号联锁。进出料输送链采用变频电机加齿轮控制，变频电机加配编码器对西门子MM440变频器进行位置信息反馈。从而精确对输送链进行启停控制，同时加配定位气缸完成准确定位。系统I/O原理图如图3所示。
在进料口放置模具，通过扫码枪扫描对应模具的条形码，系统通过以太网将模具信息传递到PLC控制器内部，信息读取成功后，进料链自动前行一个工位，进料口工位可继续进行上件扫码流程。所有进料链模具建立队列，先进先出，同时在触摸屏设置队列模具信息更改端口，通过调用模具位置号可更改对应工位的模具信息。部分队列写入程序如下：
当模具输送到进料链机器人抓取位后，进料链抓取位传感器检测到模具，定位气缸伸出配合进料链电机完成模具定位。同时，电机编码器将位置信息反馈给变频器，通过变频闭环控制实现精准的模具定位。此时，进料口模具进入等待状态，待机器人抓取完成后进料链自动移动。
当模具定位完成后，通知机器人开始抓取动作。机器人自动更换模具手爪，对模具采用气缸固定的方式行抓取。对于不同类型的模具，每个模具的尺寸和外形都可能不同，因此需要机器人调用不同的抓取程序进行抓取任务，抓取动作开始前，PLC将条形码信息转换成对应模具信息交互给机器人，机器人调用不同的抓取程序将模具抓至分模工位。
模具和工件在分模工位分离完成后，首先请求机器人抓取工件至下料链，机器人通过手爪快换装置自动更换工件手爪，工件手爪采用伺服电机进行位置控制，对应不同工件直径调用不同的位置信息，伺服电机驱动手爪伸出收回实现抓紧与放开工件。机器人调用不同的抓取程序完成对不同类型工件的抓取任务。机器人动作同时与PLC进行信号交互，控制出料链识别工件放置位与模具放置位。通过变频电机驱动出料链行走至工件放置位，机器人接收到出料链允许放置的信号后将工件放至下料链，程序任务完成后向PLC发出下料链移动信号将工件运输至下料口。工件手爪放置工件如图4所示。
3.安全预警及故障处理
本高温模具工件输送系统具有完善的安全预警机制与故障处理方案。因为模具重量大、温度高，因此在系统使用过程中必须保证工人的作业安全，当系统出现故障后，在人机交互界面能及时显示并处理故障。进料
图3 系统IO原理图
采用有限元分析方法对结构应力及变形位移进行分析，从计算结果中发现杠杆与试样直接接触存在的问题，并通过应变片测试对比验证了计算结果的准确性。本文针对杠杆加载得到的主要结论有：加载杠杆直接作用于试样的连接形式最为简便，但杠杆加载时的微小转角会导致承力支点偏移，该承力支点偏移导致两个结果，一方面试样上应力分布不对称，应力集中在试样一侧，另一方面杠杆加载比例发生变化，载荷放大倍数降低。
球形铰连接能够保证杠杆在施加载荷过程中，承力支点位置保持不变，使得杠杆放大倍数保持恒定，有限元分析计算结果显示，该连接方式能够满足本文提出的设计要求。
本文研究揭示了杠杆加载连接设计中容易存在的问题，并给出了解决办法，为杠杆加载的深入研究提供参考及数据理论支持。
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