王刚 魏星 杨慧杰

（1. 洛玻集团洛阳龙昊玻璃有限公司 汝阳 471200；2. 浮法玻璃新技术国家重点实验室 洛阳 471000）

0 引言

目前，随着人工成本的增加和国内玻璃生产自动化水平的不断提升，玻璃生产线冷端玻璃的下片堆垛工序已基本实现了机器代替人工操作。自动堆垛机分为水平堆垛机、垂直堆垛机和机器人堆垛机3种。

水平堆垛工艺简单，成本较低，堆垛完成后需要翻转垛位，容易造成玻璃破损或划伤；垂直堆垛工艺复杂，且不能适应多种玻璃规格的抓取；机器人堆垛自动化要求高，动作灵活，占地少，将会越来越多应用在玻璃生产线冷端。

1 问题的提出

目前国内玻璃生产企业已经越来越多地使用机器人堆垛设备进行玻璃下片堆垛操作。国内玻璃生产行业机器人堆垛设备以国产集成设备占主流，其中江阴锦明自动化公司、秦皇岛图成公司等的产品比较具有代表性。机器人堆垛设备一般由4部分组成：机器人本体、控制系统、视觉系统（或扫边系统）、执行机构。在多条玻璃生产线生产时发现现有机器人堆垛设备经常需要维修执行机构，特别是玻璃抓取过程中提供抓取力量的真空系统；并且玻璃抓取时间较长，需要2～3 s，玻璃规格越大所需时间越长，同时在改换玻璃规格尺寸时，存在部分尺寸玻璃不能实现自动抓取的现象。

2 方案的确定

通过研究分析发现，造成玻璃抓取时间长、部分尺寸玻璃不能自动抓取的原因是执行机构中的吸盘架上吸盘分配不合理。原有吸盘架吸盘分组布置示意图见图1。

由于平板玻璃市场竞争激烈，一条650 t/d规模的玻璃生产线希望能够生产尺寸从915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm之间的所有规格的玻璃，更大吨位规模的玻璃生产线生产玻璃尺寸规格变化更大。

原有的设备由26个吸盘组成，这26个吸盘被分成了12组，由PLC控制电磁阀来驱动气缸实现对吸盘的控制。根据玻璃规格尺寸，由PLC自动计算选取吸盘的组数。由于吸盘分组是不规则的形状，所以会有相当大一部分玻璃不能实现自动抓取，且过多的分组造成真空管路的冗长，不利于真空的平均分配，所有吸盘真空度达到一致所需时间较长。由于玻璃表面比较平整，吸盘架在抓取玻璃时，需要迅速将真空值达到一定的真空压力，才能将玻璃牢牢抓起，当部分吸盘真空度没达到设定值时，机器人堆垛设备不动作。

经过离线模拟，最终决定将吸盘个数减少为24个，这24个吸盘分成若干组，均匀分布在吸盘架上，以其中一组为中心，其他组分别向四周发散。此方法可解决真空管路冗长的问题，减少故障点，加快吸盘真空度达到预定值，时间可以减少到1.5 s左右；同时可对尺寸从915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm之间任意玻璃规格进行抓取。对连续生产型的玻璃行业提高总成品率和降低成本有着很大的帮助。

3 具体实施

3.1 总体思路

受机器人堆垛设备的最大抓取载荷限制，实施方案的总体思路是在解决问题的条件下尽可能减轻玻璃吸盘架的重量。本次改造的机器人堆垛设备最大抓取载荷是300 kg。

首先根据需要抓取不同尺寸玻璃的重量及单个吸盘的最大抓取重量，计算得出抓取最小尺寸915 mm×1350 mm的玻璃需要的吸盘数量为4个，抓取最大尺寸3000 mm×3660 mm的玻璃需要的吸盘数量为24个。

其次制作了一个2810 mm×1610 mm的高强度铝合金框架，将24个吸盘均匀地分布在该框架上。为了尽可能减轻玻璃吸盘架的重量，将24个吸盘分为6列4排，最底部的两排分别定义为A组、B组、C组、D组、E组，为基础组；上边两排分别定义为F组和G组，为配合组。其中A组有四个吸盘，并且以A组为中心，分别向四周发散。具体分组如图2所示。

这样分组可以根据需要抓取的玻璃尺寸，来确定需要哪一组或哪几组吸盘工作。根据需要抓取玻璃的尺寸，实现A组、B组、C组、D组、E组之间及与之相对应的F组、G组吸盘的联动工作。如当需要抓取的玻璃尺寸需要A组的4个吸盘和与A组对应的F组的2个吸盘同时工作时，A组和与之对应的F组2个吸盘工作，而F组剩余的4个吸盘不工作，A组、B组、F组联动时，是与之对应的9个吸盘工作，同理依次类推。

3.2 玻璃抓取时吸盘的动作控制

当机器人堆垛设备抓放玻璃时，玻璃吸盘架有4个动作：吸盘伸出、加载抽真空、卸载充压缩空气、吸盘收回。具体控制方式见图3、图4。

3.3 关键器件的选择

3.3.1 真空泵的选择

目前绝大多数国产机器人堆垛设备真空系统采用油封式真空泵，从经济性和可靠性两方面考虑，油封式真空泵是目前的最佳选择。但是环境温度对油封式真空泵影响较大，温度在20～30 ℃时油封式真空泵吸力为最佳；温度在0 ℃左右时，油封式真空泵的效能将下降30%左右。在选择真空泵的流量大小时要考虑到低温时能满足设备需求，因此选用了一套200 m3/h的真空泵，适应现场各种环境。

3.3.2 电磁阀的选用

控制气路通断的电磁阀非常成熟，可选择范围比较广，本方案主要从减轻玻璃吸盘架的重量考虑，因此需要电磁阀具有很高的集成度，减少占用空间，降低重量，以保证机器人堆垛设备负载满足最大化使用。因此选用了SMC集成电磁阀组，同时为提高控制的反应速度，选用两组电磁阀，一组用于控制气缸，一组用于控制气控阀。但两组电磁阀信号为同步信号，保证吸盘伸缩和真空的建立同步进行，提高抓取效率。

3.3.3 气控阀的选用

本项目气控阀主要用于吸盘的加载（抽真空）和卸载（充压缩空气）之间的切换，普通的气控阀在压缩空气和真空切换的瞬间，真空的吸附力会导致气控阀的阀杆难以动作，影响吸盘架的真空建立，因此选用了多流体适用的气控阀。因玻璃表面有防霉粉，长时间使用会导致防霉粉进入气控阀，从而导致气控阀卡涩而难以动作，造成真空泄露，引起真空建立故障，因此在吸盘与吸盘座之间增加一层过滤网，防止防霉粉进入气控阀而影响其动作。

3.3.4 气缸的选用

气缸主要用于控制各组吸盘的伸缩，在满足伸缩距离的条件下，主要考虑体积小、重量轻、动作速度快等条件，最终选用了CKD20×50系列的迷你气缸。

3.3.5 逻辑阀的选择

逻辑阀是为了实现A（B、C、D、E）组吸盘与F（G）组吸盘的联动工作而增加的一个关键部件，其原理如图5所示。

其中P1为主控口，P2为辅控口，A为出气口，由于内部存在单向阀，所以两路控制气不会存在串通现象。

P1进气口与F（G）组吸盘电磁阀出气端连接，P2进气口与A（B、C、D、E）组吸盘电磁阀出气端连接，A出气口与气缸连接。通过这种连接方式实现了A（B、C、D、E）组吸盘与其对应的F（G）组吸盘的联动工作，减少了吸盘的分组数。

4 性能测试

经过加工和调试，此种吸盘架的故障率降低30%，管路较同行业减少20%，电气元件种类减少近50%，大部分采用气动控制，故障点易查且较为直观，非常适应连续生产型企业。使其能快速判断故障所在点，及时恢复设备正常使用。经过使用，完全满足玻璃尺寸范围从915 mm×1350 mm到3000 mm×3660 mm的全自动抓取。可提高企业总成品率5%左右，并且降低人员劳动强度，有效地改善了作业条件。

5 结语

针对工作中发现机器人堆垛设备抓取玻璃时间长（2～3 s）、部分尺寸玻璃不能有效抓取等问题，从方案制定、实施及实施过程中关键元器件的选择、实施后的效果，做了详细的描述，希望可以和业内遇到相似问题的同行进行交流学习，起到抛砖引玉的作用。