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      生產物流系統利用多機器人協同搬運設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-08 16:38:48    瀏覽次數:34    評論:0
      導讀

      通過對勞動密集型行業進行典型人工動作凝練,應用工業機器人、PLC、傳輸線、工業攝像機、裝配臺等設計多機器人的生產物流系統。根據生產物流系統的控制要求,提出以一臺PLC作為主控制器,分別連接各工作單元的多臺工業機器人,PLC與工業機器人之間、觸摸屏與PLC之間均采用PROFINET進行通訊連接的系統設計方案。實踐證明,對于勞動密集型行業,可以將自動化生產線中的人工操作部分由工業機器人來完成,能夠解決用工成本大和產品質量不一致的問題,同時還能提高企業的生產效率。

      0 引言

      從長三角地區產業現狀來看,焊接和噴涂行業應用工業機器人較多,而在電子裝配、服裝加工等行業,由于屬于勞動密集型產業,企業用工成本逐年上升,工人隊伍不穩,產品質量得不到保證,引入機器人來代替人,通過多臺機器人協作分工完成不同的生產任務,實現基于多機器人的自動化生產流水線,是中小企業生存和發展的必由之路。

      本文以長三角地區某電子設備生產企業為例進行分析,該企業產品類型不多,但需求量大,經過多次改進,產品質量進一步提升,有一定的市場份額,產品的制作和裝配等環節已經形成了自動生產線,每個生產環節要求工人多,不能保證產品的一致性,如將工業機器人引入該企業,完成焊接、裝配、分揀、碼垛等生產環節的控制要求,可以將自動化生產線中的人工由工業機器人來完成,能夠解決用工成本大和產品質量不一致的問題,同時還能提高企業的生產效率[1]。通過對勞動密集型行業進行典型人工動作凝練,應用工業機器人、PLC、傳輸線、工業攝像機、裝配臺等設計多機器人的生產物流系統,在長三角地區,類似的中小型企業有很多,該系統的設計對該行業的轉型升級以及機器人代替人工操作等方面具有實際應用價值。

      1 系統需求分析

      通過對上述企業的實際調研以及查閱相關的技術資料、機器人技術應用相關文獻,對基于多機器人的生產物流系統的控制需求分析如下:

      ①該生產線中人工操作部分(主要是流水線重復操作)可由四臺不同功能的機器人來協作完成,通過在機器人的法蘭面安裝不同的工具(如:焊鉗、氣動手指、真空吸盤等)可實現不同功能(如:焊接、裝配、分揀、碼垛)的機器人。

      ②各機器人工作單元工作時,需要聯網運行,它們之間有數據的交互聯系。

      ③為了方便生產線各工作單元的檢修與調試,要求控制系統可以選擇單機/聯機工作方式。選擇單機運行時,各單元可獨立運行,站與站之間沒有數據交互,選擇聯機運行時,各工作單元之間有數據交互,且程序設計上要考慮各機器人的相互協作。

      ④設計管理層的人機交互界面,可單獨控制各機器人工作單元,也可聯網控制各機器人工作單元,能夠將各機器人工作單元的關鍵信息反饋至人機交互界面。

      ⑤考慮到設備安全生產的實際需要,要求各機器人工作單元有必要的電氣安全防護措施。

      ⑥硬件系統結構緊湊,并具有一定的可擴展性。

      2 生產物流工藝流程設計

      生產物流的工藝流程設計指從原材料到加工成品的全過程。設計原則是以最合理、最有效的方式對生產過程中所有設備進行合理的布局,使生產物流系統運行管理、運行成本、安全等各種指標達到最優,保證人流、物流、信息流暢通無阻。根據電子設備廠的生產實際情況和現有的裝備條件,采用U形傳送帶的基本流動模式,U形布置適用于多品種小批量的生產,工件從毛壞到成品的工藝過程一目了然,多機器人生產物流系統的工藝流程如圖1所示。

      此生產物流系統有4個工作單元,分別是焊接工作單元、裝配工作單元、分揀工作單元及碼垛工作單元,其中焊接、分揀、碼垛工作單元的功能主要由單個機器人來完成,裝配工作單元的功能由兩個機器人來完成。整個機器人生產物流系統既有多機器人在時間上協同,也有多機器人在運動上的協同。各工作單元的描述如下:

      圖1 基于多機器人生產物流系統工藝流程

      2.1 焊接工作單元

      焊接被賦予了工業“裁縫”的稱號,在工業實際生產中,焊接起著舉足輕重的作用,它是產品加工過程中非常重要的環節。與人工焊接相比,機器人由于運行軌跡平穩,速度均勻可控,因此機器人焊接時非常穩定,焊點的質量有保證,幾乎不受人為因素的影響,能夠保證焊接質量均一性。

      由于機器人焊接是由機器人程序進行控制的,因此可以通過修改機器人的控制程序來滿足不同工件的生產需要,減少了設備的研發時間,縮短了產品更新換代的周期,提高了企業的生產效率[1]。焊接工作單元主要包括機器人和焊接設備兩大部分。機器人由本體和控制柜組成,而焊接設備主要由焊接電源、送絲機、焊槍等組成。

      2.2 裝配工作單元

      裝配工作單元的任務是兩臺機器人協調擰螺絲,一臺機器人抓持螺母,另一臺機器人抓持螺栓,需要兩臺機器人協調運動,從而達到擰緊螺絲的目的。裝配工作單元的兩臺機器人相當于人的兩只手,比單臺機器人具有更好的靈活性,可以完成比較復雜的動作。要完成此任務,可采用兩種方式來完成:一種是一臺機器人抓持螺栓不動,另一臺機器人抓持螺母旋轉并平移直至擰緊;另一種是一臺機器人抓持螺栓平移,另一臺機器人只做旋轉操作。

      2.3 分揀工作單元

      目前傳統的機器人分揀方式大多數采用示教方式,對機器人示教點的位姿以及工件的擺放位置都有嚴格的要求,因此這種傳統的機器人分揀系統,一旦工件發生變化時,機器人并不能識別,會導致機器人抓取工件失敗,從而影響整個生產過程,降低生產效率。于是,人們將機器視覺技術與機器人相結合,使機器人擁有了“眼睛”,基于機器視覺的機器人分揀系統不但效率高、分揀精確,而且適應范圍廣、隨時能變換作業對象和變換分揀工序的優勢[2]。本次設計的機器人分揀工作單元加入了機器視覺系統,主要對傳輸帶上的工件進行篩選,將不合格產品搬運至廢品庫。

      該分揀工作單元主要由機器人、工業相機、傳送帶、真空吸盤等組成,其組成如圖2所示。其工作流程如下:加工件在傳輸帶上運動至工業相機下方時,工業相機拍照后將圖片傳至機器人控制系統,判別為不合格產品后,機器人定位工件并啟動真空吸盤抓取工件,然后搬運至廢品庫,機器人回到原位,進入下一個循環。

      圖2 機器人分揀工作單元組成

      2.4 碼垛工作單元

      采用人工碼垛物料,勞動量大,工時多,無法保證碼垛質量,影響產品順利進入貨倉,由于碼垛尺寸誤差過大導致不能正常存儲的事情時有發生,用機器人碼垛能夠適應制造業規?;a的需要,解決單調、重復的體力勞動和提高生產效率[3]。機器人碼垛生產線通過機器人的法蘭面安裝不同的夾具能適應形狀多樣(如紙箱、袋裝、瓶裝等)的成品碼垛作業。機器人碼垛工作單元的組成如圖3所示,主要有托盤輸送系統、碼垛位規整設備、工業機器人和整垛輸送線。

      圖3 機器人碼垛工作單元組成

      3 系統整體方案設計

      根據電子設備廠的生產實際情況和現有的裝備條件,結合生產物流系統的工藝流程,為了使控制過程清晰明了,方便各工作單元機器人的協作與協同配合,提高生產物流系統的整體效率,控制系統將由兩部分組成,一部分是生產管理級,主要是面向生產管理人員的控制系統,管理人員可以通過上位機對下級系統進行命令的傳達、現場各種參數的監控、現場報警事故的查閱、現場各工作單元機器人的運行狀態及各種歷史記錄的查詢等[4]。另一部分是現場控制級,主要直接控制現場的各種設備,包括輸入/輸出設備(模擬量和數字量)、傳感器和變頻器、控制信號和數據的傳遞等。

      本設計以一臺PLC作為主控制器,分別連接各工作單元的多臺工業機器人,PLC與工業機器人之間、觸摸屏與PLC之間均采用工業以太網進行通訊連接。PLC的主要任務是對生產物流系統中各工作單元的機器人進行調度與任務的分配。變頻器、傳感器、氣缸等輸入輸出部件通過PROFINET與工業機器人連接,生產物流系統整體設計框圖如圖4所示。

      圖4 生產物流系統整體設計

      4 結語

      工業機器人具有工作效率高、重復精度好、運行穩定可靠、能夠保證產品的一致性等諸多優點,特別是能夠在危險環境非常高的狀態下能夠可靠作業。企業采用工業機器人來代替人的一些重復勞動,對企業來說,不僅可以提高產品的質量、降低廢品率和生產成本、減少企業的用工人數,而且可以提升企業制造裝備的利用率,提高企業的生產效率和產品更新換代的能力,從而為企業營造一個更加安全可靠的生存環境。

      參考文獻:

      [1]董云菊.焊接機器人技術的應用研究與發展[J].山東工業技術,2015(7):47.

      [2]栗俊艷,米月琴.一種基于機器人視覺的工業機器人分揀系統[J].電子科技,2016(29):105-107.

      [3]盧振利,孫凱翔.應用工業機器人的勞動密集型企業典型生產線的設計[J].高技術通訊,2015(25):815-821.

      [4]盧澤旭.工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用研究[J].機電信息,2012(12):49-51.


       
      (文/小編)
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