机器人搬运单元的可靠性分析

2015-05-11曹晓燕杨富宏王丽丽

制造业自动化 2015年14期

关键词：手爪码垛可靠性

曹晓燕，吴桐，杨富宏，王丽丽，徐慧

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

机器人搬运单元的可靠性分析

曹晓燕，吴桐，杨富宏，王丽丽，徐慧

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

1 化纤产品包装的物流过程

近年来，工业机器人在我国的应用越来越广泛，尤其在物流自动化系统中，用机器人代替人工劳动，把人力从繁重的体力劳动中解放出来，极大的提高了工作效率。同时由于采用RFID，条形码等信息技术使得车间物流系统实现了少人化和无人化。化纤生产企业，POY产品从加弹机下机之后，要经过织袜、染色、存储、外检、装箱、码垛等工序。以前，外检组批、装箱和码垛都是采用人工来完成的。自动化物流系统采用机器人和自动化立体车库，实现了自动化存储和自动化包装。

从图1可以看到，丝卷从下机到码垛入成品库经历了丝车上线、出入库、装箱、码垛等环节，丝卷从丝车上转移到输送线的托盘上，再转移到立体库的托盘上。经过8小时的存储后，物流管理调度系统根据销售系统的要货指令进行库存检索，按入库时间、等级、数量、批号等要素组织出库队列。出库时，丝卷从立库托盘转移到输送线托盘上，经过装箱，称重贴标进行码垛，入成品库。

图2显示了丝卷从加弹机下机后到包装入成品库的信息流，实现了全流程的信息跟踪和可追溯。从整个工艺流程来看，丝卷在不同工艺段的转移都是由机器人来实现的，一般需要6台机器人实现丝卷的自动包装。机器人单元是整个物流生产线的关键设备，它的动作节拍决定了生产线的节拍，它的可靠性是整个物流线的保证。

2 机器人搬运单元的系统组成

在实际应用系统中，机器人要和手爪、输送线等构成机器人应用工作站。包装生产线一般每天工作在20小时以上，机器人20秒一个循环，这对工作站的可靠性要求极高。国外工业机器人经过40年的发展和大量使用，可靠性和安全性已达到很高的水平，国外知名品牌ABB、KUKA的机器人的mtbf可以达到5万小时以上。机器人手爪、机器人外围设备是否可以达到高可靠性，从而提高机器人动作单元的可靠性，充分发挥机器人的工作效率和能力，是在机器人应用当中亟待解决的问题。

图1 包装物流系统构成

图2 包装系统信息流程

一个机器人抓取出库工作站，由机器人和手爪、出库链式输送机（出库站台）、输送辊道（机器人放置工位）组成。机器人一次要从立体库托盘上抓8锭丝卷。由于立库托盘和输送线托盘放置间距不一样，要求手爪在X、Y两个方向可缩放。抓取方式要求从纸筒内壁抓取，因此采用了内涨式手指气缸。这样一个搬运手爪由8个气动手指，两个横纵移动气缸，导轨滑块，定位挡块和缓冲器，手爪框架，电磁阀及安装板，磁性开关，远程IO模块及接线箱，电缆气管安装支架及拖链等组成，如图3所示。机器人周边设备包括：取丝卷的立体库托盘链式机和放丝卷的双排辊道输送机。辊道链式输送机包括机架、滚筒、链条、输送电机、气动阻挡器、电磁阀、气缸到位磁性开关、托盘到位检测开关、丝卷有无检测光电开关等。

图3 机器人抓取手爪示意图

机器人完成一次搬运任务分三个阶段：机器人从立库站台抓取丝卷，机器人运动到放置工位，机器人将丝卷放到输送机的托盘上。其中机器人运动比较简单，参与的部件少，基本不会出现故障。而其他两个阶段除机器人运动外，手爪和外围设备是主要动作设备，是易出故障的阶段。下面简单介绍机器人放置丝卷的功能流程。

图4 机器人放置丝卷的功能流程

3 机器人搬运单元的可靠性模型

根据机器人搬运单元的组成和功能流程，建立机器人搬运单元的可靠性模型，这是一种串联结构模型。

其中机器人的mtbf为50000小时。手爪中的关键元器件为气动元件和导轨滑块。气动元件选用国外产品，寿命5000km；导轨滑块在额定动负载63.6kN、静负载100.6kN情况下，寿命为100000km。按机器人每天工作20小时，每小时动作150次，每次动作100mm，气缸寿命为333333小时，导轨的寿命则在600万小时。按照串联系统可靠性计算，整体可靠性指标可以满足客户提出的每月停机时间限度。串联结构的系统每一个部件的可靠性对整体的影响是一样的[1]。在设计时不仅要对关键件进行可靠性设计，对简单的零部件也要特别注意。在实际应用中就是电缆走线布置，传感器的安装方法，限位装置的结构等成为故障的多发处，影响了系统的可靠性。