基于ABB機器人的沖壓線上下料系統構建及其實驗 非標訂制

摘要：結合實驗室ABB IRB 1410型機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產線，為之搭建了相應的上下料系統。在此基礎上，對ABB IRB 1410機器人進行了上下料軌跡的規劃，進而利用RobotStudio軟件進行了機器人自動化上下料離線仿真，并開展了機器人在線上下料模擬實驗，為機器人上下料技術的自主開發提供了實驗范例和技術支撐。

北京深隆科技有限公司的主要產品及服務為機器人智能涂裝線、工業機器人應用及成套裝備、涂裝自動化生產線集成三大系列，以解放低端勞動力、改善有害工作環境為導向，以工業機器人集成應用為基礎，以行業應用的個性化方案定制為核心，業務領域包括3C產品、汽車零部件等表面處理、重工、軍工、航空、新能源等行業。產品包括：工業機器人噴涂生產線，自動涂裝生產線，全自動點涂膠機器人, 自動上下料機器人 自動玻璃點涂膠機器人，自動鎖鏍絲機器人，自動上下料機器人、 CCD視覺定位鎖鏍絲機,工業機器人配件、機器人工裝，夾具，氣動夾具，氣動工裝，氣動模具，裝配夾具，裝配卡具等。技術咨詢：18001130868 18001197956

汽車車身的金屬件幾乎100%是沖壓件，因而汽車覆蓋件沖壓生產線自然成為汽車企業中最核心的生產線[1]。長期以來，為獲得規模性效益，全球汽車企業一直延續大批量、單一化的生產模式，機械手高效沖壓線是汽車大型沖壓設備的主要形式[2]。然而，隨著消費者對車型個性化和高品質的追求，汽車覆蓋件自動化沖壓從大批量、單一化的剛性生產模式正悄然向小批量、多品種生產模式轉變[3-4]。為適應此生產模式，實現“一線多用”的可持續沖壓發展目標，由視覺自動識別和智能協調等系統組成的“柔性沖壓自動化生產線”越來越為汽車制造企業所認可[5]，但相關技術一直被國外企業壟斷。2007年，濟南二機床集團自主研發、制造和集成出我國首條大型機器人自動化沖壓生產線[6]，但所配備的機器人并非國產，核心技術依然尚未掌握。

作為汽車制造四大工藝之首的沖壓工藝，若其生產線采用柔性化傳送系統，可以顯著提高沖壓效率、提升產品質量和降低綜合制造成本[7]。其中，柔性化沖壓的代表設備——工業機器人，可確定靈活工作空間中任意一點位姿[8]，能最大程度地保證沖壓工藝的通用化和自動化;先進輔助技術的重要組成部分——視覺對中系統，可以充當機器人眼睛，能更好地實現物料傳送的柔性化和智能化[9]。

本文將結合實驗室現有ABB IRB 1410型機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產線機器人上下料系統，搭建與其相應的上下料平臺系統，一定程度上實現旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過程的在線作業，并開展機器人離線、在線上下料模擬實驗，為機器人上下料技術的自主開發提供實驗范例和技術支撐。

1 機器人上下料系統的搭建

如圖1所示機器人上下料系統由5部分組成：機器人系統、真空系統、機械系統、視覺系統和電氣系統。

1.1 機器人系統的搭建

機器人系統的各主體單元包括：ABB IRB 1410六自由度關節型串聯機器人、FlexPendant示教器、IRC5控制柜、RobotStudio/RobotWare離線編程軟件和機器人手冊。

1.2 真空系統的搭建

汽車覆蓋件大而輕、薄而堅，非常適合采用真空吸附的工作原理來實現抓取[10]。由于ABB IRB 1410機器人沒有配套的端拾器標準產品，因此，與端拾器相關的真空系統元件需要自行選購，其選購原則及結構如下：

(1)根據實驗所搬運的矩形板料的重量，吸盤的數量、最小估算尺寸以及氣路耗損等因素，選用能夠提供-85 kPa真空度的施邁茨真空泵。

(2)根據所選用的真空泵、吸盤的數量、實驗所搬運材料的重量、吸盤的吸取方式，經過計算，選購直徑為30 mm的施邁茨真空吸盤。

(3)真空開關可用來檢測真空系統的氣壓強度，緩沖支桿能調整端拾器的垂向壓縮量。因此，根據實驗需求，選購施邁茨真空開關1個、施邁茨緩沖支桿4只。

(4)電磁閥控制氣路的通斷，因本真空系統提供的是負氣壓，故不能選取工作壓強為正的先導式電磁閥，而宜選用直通式電磁閥。本系統選用二位三通直通式電磁閥。分路塊是端拾器必備的氣路分流元件，根據吸盤數目選購6孔的分路塊。

根據以上元件的選擇，搭建真空系統主要氣路連接如圖2所示。

1.3 機械系統的設計

機械系統的設計主要涉及端拾器和上下料平臺的設計。如圖3所示為ABB IRB 1410機器人手腕承載圖，圖4所示為吸盤在板料上的布置圖。

根據圖3所示機器人手腕承載情況，選定端拾器質心位置及加工材料。根據圖4吸盤在板料上的布置圖，設計端拾器為完全對稱結構。最終設計完成的端拾器三維模型如圖5所示。此端拾器的質心與機器人法蘭盤中心點沿Z方向的距離為70 mm，端拾器質量為2.63 kg，所加工板料每張質量為1.3 kg，總體質量未超過4 kg。

如圖6所示為機器人原點位姿下的工作空間。

根據圖6所示機器人的工作空間，設計上下料平臺與機器人之間的位置關系如圖7所示。

進而，設計上下料平臺整體結構如圖8所示，上料平臺自上而下主要由對尺桌面、上料托板和支架組成;下料平臺自上而下主要由模具桌面、下料托板和支架組成;由槽鋼將上、下料平臺連成一個整體結構并與地面固定。最終整個機械系統三維模型如圖9所示。

1.4 視覺系統的搭建

若為沖壓自動化生產線加入視覺對中功能，則其可以相當于將多條專一性的生產線合為1條多功能自動化生產線，只需更換視覺對中程序，機器人便可自動對中不同形狀的汽車零件。國外機器人公司已將這項技術模塊化，應用方便，但費用較高，國內企業目前尚未自主開發出應用于汽車沖壓生產線的視覺自動對中技術。

機器人視覺對中上下料的工作原理為：工業攝像機將抓拍到的板料圖像傳送到PC機，圖像處理系統將其與標準圖像進行比對獲得矯正數據(位置/角度偏差)，人機交互系統將偏差值轉變為機器人可識別的指令，自動調整機器人的抓取位姿。

根據所需拍攝工件的工作狀態、外形尺寸、下料平臺模具桌面內的對尺槽精度，并綜合考慮位置和偏轉產生的誤差，機器人的上下料頻率、周期及工作現場的光線情況等因素，選擇維視MV-2000UC彩色攝像頭。

根據所搭建的上下料平臺鏡頭和板料之間的高度及攝像頭的視場，選擇H0514-MP型號、焦距為5 MM的定焦工業鏡頭。安裝完畢的工業攝像機如圖10所示。與其對應的人機交互控制軟件的主界面如圖11所示。

1.5 電氣系統的開發

機器人上下料實驗真空系統由真空泵、分路塊、二位三通直通式電磁閥、真空開關、真空吸盤、緩沖支桿等構成。此系統電氣控制原理如圖12所示。

2 ABB機器人上下料離線仿真實驗

將利用SolidWorks軟件設計的上下料平臺和端拾器三維模型導入ABB專業離線仿真軟件RobotStudio環境中，添加系統自帶的ABB IRB 1410型機器人實體模型。

按預期設計方位安放上下料平臺，因機器人末端的軌跡規劃需避讓上料平臺上的攝像機支架，因此安裝端拾器時，短邊尺寸朝向支架，且端拾器位姿保持不變。

2.1 機器人上下料軌跡規劃

如圖13所示為機器人上下料軌跡示意圖，假設機器人上、下料中心點的位置分別為P30、P40，令處于原點位姿下的機器人手腕向下旋轉90°，設此時吸盤底面所在平面與法蘭盤中心線的相交位置為P10，即端拾器底面中心O，機器人處于抓取板料待命狀態。機器人自O點運行到上料平臺中心上方P20點，而后下降至上料平臺中心點P30，吸取板料，繼而回升至P20點，此為取料過程;令機器人自O點從P20點平移至下料平臺中心上方P50點，為實現上下料過程中機器人快速平穩的運行，機器人從上料平臺到下料平臺之間的運動軌跡規劃為直線，此為搬運過程。機器人自O點從P50點下降并與下料中心點P40重合，釋放板料，繼而回歸P50點，此為放料過程。

取料、搬運、放料過程循環10次后，為防止回原點過程中端拾器與下料平臺發生碰觸，首先令機器人O點先從P40上升到P60點，然后再令各軸回歸零位，由此完成機器人上下料軌跡的規劃。

2.2 離線仿真實驗

在實現物料搬運的離線仿真過程中，設置機器人的6個位姿點，機器人取料過程和放料過程的離線仿真結果分別如圖14、圖15所示。

采用C#語言編制人機交互軟件中的機器人控制部分，需在RobotStudio軟件中進行控制信號的測試。因此，建立1個仿視覺數組，每當控制器請求插補信息時，服務器隨機從建立的數組中輸出數字傳入控制器，機器人收到控制器傳來的仿視覺信號，其流程如圖16所示。

按照圖16所示的流程經運動仿真發現：控制器向服務器發送請求信號后，將其返回的視覺插補信號傳遞給機器人，機器人接收到視覺插補信號指令后便迅速到達指定位置。由此保證了在后續的人機交互界面軟件控制下的視覺對中實驗中，機器人將能夠受控于由圖像處理程序傳來的矯正信號。

3 ABB機器人上下料在線模擬實驗

根據機器人上下料軌跡規劃，擬定機器人上下料任務流程，如圖17所示。

根據圖17的任務流程進行上下料實驗。在實驗過程中，為保持上下料動作平穩快速，機器人每段軌跡都盡量規劃為最短直線;為保證吸盤施力均衡，機器人法蘭盤始終與地面垂直，取料時端拾器中心處于板料中心位置;為盡量消除偏置載荷和扭矩的影響，機器人在運行過程中，第六軸主動調整轉角以使端拾器姿態不變，同時要注意與攝像機支架之間留有安全余量，且軌跡平滑，不能有多余的停頓點。機器人在線上下料實驗如圖18所示。

為能更好地實現物料傳送的柔性化和智能化，在原有的機器人上下料系統中加入視覺對中技術。加入視覺對中技術的沖壓自動化生產線，柔性化程度和生產效率都更高。本次機器人視覺對中柔性上下料實驗的上下料頻率為10次/min，中間搬運行走速度為1 000 mm/s。

如圖11所示實驗過程中的人機交互界面，包括機器人控制(1)、實時監控(2)、圖像處理(3)3個基本模塊。其中，圖像處理部分將3個矯正參數傳給機器人控制部分，控制部分再將視覺信號傳遞給機器人控制器，機器人每次以正常位姿到達上料中心后，再聽從控制器傳來的矯正指令調整端拾器的位置和姿態，準確抓取板料的正中心，然后在移出上料區域的過程中調整為正常姿態，最終將板料放入模具中。

4 結語

本文根據實際工況要求和約束條件完成了沖壓線上下料機器人系統的搭建，完成各零部件的設計和選購，為機器人上下料模擬實驗的開展奠定了平臺基礎，同時也為汽車沖壓線機器人上下料實驗系統的搭建提供了范例參考。

在所搭建的實驗系統基礎上，對ABB IRB 1410機器人進行了上下料軌跡規劃，實現了機器人上下料離線仿真。所開展的機器人上下料在線實驗，模擬了機器人的上下料過程，實現了圖像處理和人機交互控制技術的集成。機器人上下料實驗的順利完成為機器人上下料技術的自主開發提供了實驗范例和技術支撐。