陈青，徐浩，倪宝，许礼进，曾辉

（埃夫特智能装备股份有限公司，安徽 芜湖 241000）

关键字：低负载机器人；制造业；自动化改造；多设备对接

前言

随着经济的发展，人工成本提高，在人口福利不再的情况下，许多企业迫切需要实现产业升级，使用工业机器人是产业升级的重要手段[1]。市面上的机器人形式多样，种类繁多，适用场景广泛，可以用在搬运、打磨、焊接、喷涂、装配、切割、雕刻等工作中，必须清楚了解自身的需求及机器人的性能阐述、应用场景之后，才能确定机器人的负载[2]。

1 低负载工业机器人简介

1.1 低负载工业机器人定义

低负载工业机器人通常指负载相对较低（一般指机器人负载小于等于60kg），干扰轮廓少，结构紧凑的一类工业机器人，低负载工业机器人应用广泛和灵活，并且成本相对低廉，许多汽车配件供应商和加工工业厂商都从中受益。

1.2 低负载工业机器人的特性

安装灵活：许多低负载工业机器人可以灵活地安装在地面、墙壁和天花板上，或者甚至是以特定的角度实现安装；通过集成在所有轴上的制动器，低负载工业机器人在各种安装方式下都有着非常卓越的表现。

高速：在搬运，特别是上下料作业方面，低负载工业机器人所具备的一个最大优势是：速度极快，反应迅速，可以在较短的循环时间内完成作业。

高精确度：对于需要高重复精度和精确度的作业，低负载工业机器人完全可以胜任，它可以提供极高的加工质量，其结构坚固，低负载工业机器人可在整个工作空间内持续精准地进行作业。

易维护：低负载工业机器人的电机和减速机不需要更换润滑剂（永久润滑）。

结构设计合理：在低负载工业机器人工作单元设计方面，规划更加可靠而且极大地节省了制造成本；采用集成式能源供应系统，占用空间小，在狭隘空间下也能充分发挥自身的性能；在机器人本体轴的多个安装点上可安装附加设备（如阀门和输入输出模块），可进一步节省空间。

2 低负载机器人在自动化改造的应用实例

本实例为某国产汽车刹车盘制造厂商的生产线自动化改造项目，使用的是负载60kg 的低负载工业机器人，在本实例当中，机器人一共对接三台机床，一台检测设备，一个过渡定位台和三个无动力辊道，并成功满足不同机床的协作配合生产和工序节拍要求，系统布局图如图1 所示。本实例中，机器人整个工作过程可主要分为两个部分，即上料过程和下料过程。

2.1 上料过程

人工将汽车刹车盘置于上料辊道上，刹车盘受到重力作用自行运动到辊道末端位置，末端传感器检测到到位信号，举升装置顶起刹车盘并将其定位，机器人利用电磁铁抓手将刹车盘抓起（电磁铁抓手如图2 所示），上料到OP10 工位加工，之后放到过渡定位台上，自下而上反面抓取刹车盘并上料到OP20 工位加工，然后上料到OP30 工位加工，OP40 检测设备上检测。此为整个上料过程，每当传感器检测到上料到位信号，机器人就重复以上动作。

图2 电磁铁抓手二维图

2.2 下料过程

OP40 设备检测加工完成的刹车盘，若OP40 设备检测刹车盘为合格件，则由机器人利用电磁铁抓手抓起刹车盘，将其放到下料辊道上，刹车盘受到重力作用自行运动到下料辊道末端位置，再由人工取件；若OP40 设备检测刹车盘为不合格件，则由机器人利用电磁铁抓手抓起刹车盘，将其放到废料道上，刹车盘受到重力作用自行运动到废料道末端位置，再由人工取件；此为整个下料过程，每当OP40 设备检测完毕并发出信号，机器人就重复以上动作。

2.3 机械设备简介

2.3.1 上下料输送料道

该设备主要是由顶升机构、挡料机构、无动力滚筒等机构组成。

上、下料道为无动力滚筒形式，上料辊道末端位置滚筒材质为聚氨酯，以避免顶升机构举升定位刹车盘时对刹车盘产生磨损，保护工件表面，上料辊道除末端位置外其余位置所配滚筒材质均为不锈钢，保证强度满足输送要求；整体料道设计时留有倾斜角度，刹车盘置于辊道上时，由于刹车盘自身重力作用，克服与不锈钢滚筒之间的摩擦力，刹车盘自行产生运动，运动到辊道终点位置停下，并被料道终点位置的传感器检测到，传感器就发出工件到位信号；上料输送料道末端部安装有顶升定位机构，可以保证来料的规律和一致性来满足机器人抓取的精度要求，上下料道结构形式一样，差异为下料道末端无举升定位机构。所有料道均采用可调式机械结构，即左右两侧的滚筒距离可以调整，通过调整辊道两侧的可调手柄和螺母，以适应不同种刹车盘直径尺寸的不同，从而满足不同类型刹车盘的生产需求，实现多种刹车盘的适配和共用。

顶升机构：用于保证机器人抓取的精度，只安装在上料辊道末端位置，只要刹车盘运动到上料辊道末端位置，传感器发出到位信号，顶升机构气缸就开始动作，顶升机构上的锥形块接触工件，并起到自定心的作用。应当每日检查气缸是否动作正常，顶升机构的导向轴是否变形，顶升防坠功能是否正常，并且每周清理表面灰尘、油污等杂物。

挡料机构：用于阻挡工件，隔离要抓取的工件，保证抓具正常工作，只要顶升机构的传感器检测到气缸杆没有降下去或者刹车盘还没被抓取，挡料机构的气缸就会一直作用，下一个待抓取的刹车盘就会停在挡料位置；只要顶升机构的传感器检测到气缸杆降下去且刹车盘已经被抓取，挡料机构的气缸就会动作一次，待抓取的刹车盘就会从挡料位置运动到辊道末端，等待下一次抓取。应当每日检查挡块是否变形，气缸是否正常。

无动力滚筒：用于传送工件。应当每周检查是否出现损坏，每月检查润滑情况。

图3 上下料输送料道三维图

2.3.2 过渡定位台

该部件主要由定位机构、检测开关等组成。

定位翻转台结构简单，稳定可靠；采用中心孔定位的方式，且定位工装上的检测开关可以起到信号交互连锁的作用。

定位翻转台用于工件的精定位和翻面抓取，机器人从OP10 工位上抓取加工好的刹车盘，并将其置于过渡定位台上，过渡定位台上的锥形块接触刹车盘，并起到自定心的作用，且根据不同种类刹车盘内孔尺寸的大小，更换不同尺寸大小的锥形块，以满足不同类型刹车盘的生产需求，实现多种刹车盘的适配和共用；定位刹车盘时机器人自上而下将其放置在锥形块上，再次抓取时，机器人自下而上抓取刹车盘，从而实现翻面抓取，并将其放到OP20 工位加工。应当每日检查检测开关是否正常工作，检查定位机构是否损坏变形，并每日对其清理。

图4 过渡定位台三维图

2.3.3 电磁铁抓手

该部件主要由电磁铁、接近开关及相关机械结构构成。

主要工作是作为机器人的抓具，此抓具根据生产加工工艺以及产品外形及工件的摆放姿态、空间综合考虑来设计，完全满足机器人抓取上下料的要求。

该抓具采用电磁铁抓取形式，能够有效抓取工件并保证稳定运行，并在断电同时迅速退去工件表面磁性。此抓具采用可调式的机械结构，根据抓盘上U 型孔旁的刻度，同时调节三个电磁铁之间的间距大小，以满足不同种类的刹车盘外圆尺寸大小，能满足一定范围内不同尺寸产品的生产要求。此抓具设有保护报警措施，机器人正常工作时，安全触点开关闭合，不触发报警信号；机器人一旦与设备发生碰撞，抓具上中间连接块断裂，安全触点开关被打开，发出报警信号且机器人立即停止动作，等待处理。

图5 电磁铁抓手三维图

2.3.4 安全防护系统

整线改造后，机器人外围安装围栏防护，并且至少安装1 套安全门，用于机器人或专机设备故障处理、日常维护等。在机器人正常工作状态，安全门必须关上，不触发报警；任一安全门若被打开，立即触发报警，且所有机器人会立即停止运行。

机器人区域安装有安全护栏，而且在工人工作作业的区域配有相关安全标示；机器人工作区域设置一个检修门，检修门上设安全门锁，安全门锁与电控系统连锁，一旦打开检修门立即停止机器人及相关设备的运转。为了保证可靠性，安全门常闭触点连接双通道同时检测，故障急停及其他关键信号采用继电器常开触点，作常闭信号处理（即保证在系统故障、继电器损坏及断线等情况下的状态一致性）。

图6 安全防护门实物图

安全门按钮实现如下功能：

生产线正常自动运行情况下，启动灯常亮。

节拍结束后按下停止按钮，请求进入，停止按钮灯1 秒频率闪烁，启动按钮灯灭，该安全区域完成一个工作循环停止运行后，停止按钮灯常亮。工作人员进入，工作完成后，关闭安全门，按下启动按钮，启动按钮灯亮，停止按钮灯灭。

急停按钮拍下，急停灯常亮，故障排除后，松开急停按钮，在没有按复位按钮的情况下，急停1 秒频率闪烁，复位后，急停灯灭。

2.3.5 机器人及其附件

该部件主要由低负载工业机器人、机器人底座、管线包及其组件。

主要工作是携带电磁抓手从上料道抓取工件，将工件抓取放到各个设备进行加工或者检测，然后再将其工件放入下料道或者废料道。其中底座用于固定机器人，管线包用于整合线缆。

机器人管线包主要包含：波纹管，固定座，耐磨环。

由于波纹管内有线缆，需要仔细检查波纹管磨损情况，如果磨损严重，则需要及时更换损坏的管路；如果发现波纹管松弛，则需及时调整固定座；如果波纹管和机器人本体有接触，则需要及时增加和更换耐磨环。

3 结语

此次成功实例为某国产汽车刹车盘制造厂商的生产线自动化改造项目。由此说明，使用低负载工业机器人不仅可以在一定程度上节约成本，而且可以利用其灵活性实现在狭隘空间下对接多台设备，最大限度地发挥机器人的性能，减轻更多的机床操作人员的劳动强度，并且大幅提高企业生产效率[3]。