應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)-高技術(shù)通訊2015.8
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應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)-高技術(shù)通訊2015.8
應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)-高技術(shù)通訊2015.8
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高技術(shù)通訊2015年第25卷第8-9期：815—821
doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2015．08-09．009
應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)①
盧振利②一一“ 孫凱翔‘ 葛晨斌+ 許仙珍’ 單長(zhǎng)考‘ 劉叔軍+ 李斌”
(+常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟215500)
(”中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽110014)
(…阿威羅大學(xué)，電子和信息通信工程研究所 阿威羅3810·193，葡萄牙)
摘要提出了應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)升級(jí)原有自動(dòng)化生產(chǎn)線的理念，選取電子原件裝配
行業(yè)為研究對(duì)象，剖析了勞動(dòng)力在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的作用，在此基礎(chǔ)上為勞動(dòng)密集企業(yè)設(shè)
計(jì)了以工業(yè)機(jī)器人為主體的裝配、檢測(cè)、分揀、碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過機(jī)器人
手眼系統(tǒng)完成典型的裝配作業(yè)，能夠降低勞動(dòng)力成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。該項(xiàng)研
究可為長(zhǎng)三角地區(qū)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的升級(jí)——“工業(yè)機(jī)器人代替人”提供技術(shù)儲(chǔ)備。
關(guān)鍵詞生產(chǎn)線，工業(yè)機(jī)器人，裝配作業(yè)，勞動(dòng)密集型
0 引言 1 生產(chǎn)線典型人工動(dòng)作凝練
目前我國(guó)機(jī)器人密度相對(duì)而言還很低，2011年 以長(zhǎng)三角地區(qū)某漏電保護(hù)插座生產(chǎn)企業(yè)為例進(jìn)
僅為每萬人21臺(tái)，而世界平均為每萬人55臺(tái)¨引。 行了研究。該企業(yè)成立于20世紀(jì)90年代，其產(chǎn)品
從長(zhǎng)三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，工業(yè)機(jī)器人在噴涂和 型號(hào)不多，但需求量大，經(jīng)過多次改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)
焊接行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而在電子行業(yè)、服裝加工 定，核心電路芯片的制作和最后產(chǎn)品裝配過程已經(jīng)
和汽車等行業(yè)，勞動(dòng)密集型的中小企業(yè)云集陋]，勞 形成了自動(dòng)化生產(chǎn)線。每個(gè)工位人工完成元器件的
動(dòng)力成本上升，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，引入機(jī)器人 裝配、檢測(cè)及專用設(shè)備的焊接等，如圖l所示。
代替人工，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線，是企業(yè)生 該類企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)主要是將采購(gòu)的原材料和
存和發(fā)展的必由之路。本研究針對(duì)中小勞動(dòng)密集型 散件組裝加工成與熱水器等家電產(chǎn)品配套的部件。
企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行了典型人工動(dòng)作凝練，應(yīng) 企業(yè)的采購(gòu)成本透明，利潤(rùn)空間大，在確保產(chǎn)品質(zhì)量
用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)攝像機(jī)、可編程邏輯控制器 的前提下，如果企業(yè)能夠率先完成生產(chǎn)線的升級(jí)改
(PLC)、工控機(jī)、傳輸線、檢測(cè)裝置、原料庫(kù)、裝配臺(tái)、 造，就能異軍突起。將機(jī)器人引入該行業(yè)，完成裝
成品庫(kù)和移動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)了先進(jìn)機(jī)器人生產(chǎn)線，并通 配、檢測(cè)、運(yùn)輸、分揀和碼垛，可以將該類自動(dòng)化生產(chǎn)
過軸承和軸承套裝配作業(yè)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可在傳 線的人工由機(jī)器人完成，解決用工成本大和產(chǎn)品質(zhì)
統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線升級(jí)和機(jī)器人代替人工操作中發(fā)揮 量不一致的問題。
作用。
①國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014bakl2b01)，機(jī)器入學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014—008)，校新引進(jìn)教師科研啟動(dòng)項(xiàng)目(XZl306)和葡萄牙
科技部基金CIENCIA2007資助項(xiàng)目。
②男，1974年生，博士，碩士生導(dǎo)師；研究方向：機(jī)器人智能控制；聯(lián)系人，E-mail：zhenlilu@cslg．cn
(收稿13期：20154)5—18)
一815—
萬方數(shù)據(jù)盧振利等：應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)
4 手眼系統(tǒng)
通過將大恒DH—SVxl GC系列CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)
安裝在機(jī)器人手臂末端構(gòu)成手眼系統(tǒng)一J，如圖5所
示。攝像機(jī)獲取目標(biāo)物的影像，通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸
(a)Turbo PMACClipper控制卡
到處理器終端。視覺處理軟件分析視野范圍內(nèi)出現(xiàn)
的目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)空間位置以及目標(biāo)姿態(tài)等信息。
其中圖像的處理包括圖像傳輸、圖像采集、圖像灰度
值的計(jì)算等部分。在采集模式下，攝像機(jī)根據(jù)外部
環(huán)境的光線變化，可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)
的曝光時(shí)間和增益值，以最大限度地達(dá)到期望的亮
(b)ACC一1P擴(kuò)展軸} 度。此外，根據(jù)需要，可以設(shè)置圖像中的感興趣的區(qū)
圖3運(yùn)動(dòng)控制器 域，一旦區(qū)域設(shè)置完成，攝像機(jī)將根據(jù)設(shè)定值調(diào)整圖
像，使區(qū)域內(nèi)圖像亮度達(dá)到期望值。
機(jī)器人行走導(dǎo)軌導(dǎo)軌架的底座由方鋼管焊接而
成，如圖4所示。行走部分由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過梅
花聯(lián)軸器連接，將動(dòng)力傳至直線滑到絲杠，最后由連
接在其上的機(jī)器人連接板帶動(dòng)機(jī)器人本體的左右行
走；在光軸兩端的正下方安裝行程開關(guān)的檔片，檢測(cè)
機(jī)器人行走的左右極限位置，保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精
度及安全。
圖5手眼系統(tǒng)
5 生產(chǎn)線其他單元
(a)行走導(dǎo)軌架 生產(chǎn)線其他單元包括皮帶輸送機(jī)、原料倉(cāng)庫(kù)、成
品倉(cāng)庫(kù)、裝配平臺(tái)、分揀倉(cāng)庫(kù)、材質(zhì)檢測(cè)裝置等設(shè)備，
如圖6所示。
原料倉(cāng)庫(kù)采用2層8格16倉(cāng)位，由鋁合金型材
搭建。成品倉(cāng)庫(kù)采用2層4格8倉(cāng)位，由鋁合金型
材搭建。每倉(cāng)位內(nèi)均安裝有倉(cāng)位傳感器用以檢測(cè)工
件的有無。每倉(cāng)位內(nèi)均安裝有倉(cāng)位傳感器用以檢測(cè)
(b)步進(jìn)電機(jī)
工件的有無。
圖4行走基座
裝配平臺(tái)安裝在鋁型材桌上，用于裝配工件。
廢品庫(kù)用于機(jī)器人自動(dòng)放置被檢測(cè)出來的無用工件
一817—
萬方數(shù)據(jù)高技術(shù)通訊2015年8-9月第25卷第8-9期
’～
Turbo PMAC Clipper控制器與PLC進(jìn)行輸入、
輸出點(diǎn)的交換、互相通訊、資源共享，共同控制工業(yè)
機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制工業(yè)機(jī)器人行走步進(jìn)
電機(jī)的工作狀態(tài)，分揀運(yùn)輸帶中的步進(jìn)電機(jī)工作、接
收檢測(cè)傳感器的信號(hào)、工業(yè)機(jī)器人相關(guān)動(dòng)作及整個(gè)
系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止等操作。在整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行過
程中，PLC在實(shí)時(shí)地發(fā)生作用。系統(tǒng)上電后，PLC便
開啟并執(zhí)行初始化程序，手動(dòng)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人、手動(dòng)
控制傳輸帶由PLC手動(dòng)部分控制；由PLC程序及機(jī)
器人控制程序控制得到相應(yīng)動(dòng)作，機(jī)器人去取軸、機(jī)
器人去取軸套、機(jī)器人裝配完成、工業(yè)機(jī)器人到達(dá)控
制傳輸帶移動(dòng)的位置PLC控制其步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)
(c)輸送、檢測(cè)單元 (d)檢測(cè)傳感器
器人放料完成等操作。
圖6其它單元
工業(yè)機(jī)器人手眼系統(tǒng)通過PLC、I／O、串口通訊
分別與機(jī)器人控制柜、工控機(jī)視覺系統(tǒng)連接組成一
或不合格品。本系統(tǒng)采用兩種顏色的軸類和軸套類
個(gè)完整的控制系統(tǒng)。
工件，兩類工件可以通過機(jī)器人將同顏色工件裝配
成一體成為成品放入成品庫(kù)中。光電對(duì)射傳感器
7 機(jī)器人自動(dòng)裝配作業(yè)
安裝于皮帶輸送機(jī)兩端，用于檢測(cè)工件的有無。材
質(zhì)檢測(cè)裝置主要由材料檢測(cè)傳感器(歐姆龍E2B-
用戶使用示教盒(如圖7所示)進(jìn)行編程與控
M18KNl6一WZ—C12M[1叫)、支架組成，材料檢測(cè)傳感
制。
doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2015．08-09．009
應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)①
盧振利②一一“ 孫凱翔‘ 葛晨斌+ 許仙珍’ 單長(zhǎng)考‘ 劉叔軍+ 李斌”
(+常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟215500)
(”中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽110014)
(…阿威羅大學(xué)，電子和信息通信工程研究所 阿威羅3810·193，葡萄牙)
摘要提出了應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)升級(jí)原有自動(dòng)化生產(chǎn)線的理念，選取電子原件裝配
行業(yè)為研究對(duì)象，剖析了勞動(dòng)力在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的作用，在此基礎(chǔ)上為勞動(dòng)密集企業(yè)設(shè)
計(jì)了以工業(yè)機(jī)器人為主體的裝配、檢測(cè)、分揀、碼垛自動(dòng)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過機(jī)器人
手眼系統(tǒng)完成典型的裝配作業(yè)，能夠降低勞動(dòng)力成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。該項(xiàng)研
究可為長(zhǎng)三角地區(qū)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的升級(jí)——“工業(yè)機(jī)器人代替人”提供技術(shù)儲(chǔ)備。
關(guān)鍵詞生產(chǎn)線，工業(yè)機(jī)器人，裝配作業(yè)，勞動(dòng)密集型
0 引言 1 生產(chǎn)線典型人工動(dòng)作凝練
目前我國(guó)機(jī)器人密度相對(duì)而言還很低，2011年 以長(zhǎng)三角地區(qū)某漏電保護(hù)插座生產(chǎn)企業(yè)為例進(jìn)
僅為每萬人21臺(tái)，而世界平均為每萬人55臺(tái)¨引。 行了研究。該企業(yè)成立于20世紀(jì)90年代，其產(chǎn)品
從長(zhǎng)三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，工業(yè)機(jī)器人在噴涂和 型號(hào)不多，但需求量大，經(jīng)過多次改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)
焊接行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而在電子行業(yè)、服裝加工 定，核心電路芯片的制作和最后產(chǎn)品裝配過程已經(jīng)
和汽車等行業(yè)，勞動(dòng)密集型的中小企業(yè)云集陋]，勞 形成了自動(dòng)化生產(chǎn)線。每個(gè)工位人工完成元器件的
動(dòng)力成本上升，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，引入機(jī)器人 裝配、檢測(cè)及專用設(shè)備的焊接等，如圖l所示。
代替人工，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線，是企業(yè)生 該類企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)主要是將采購(gòu)的原材料和
存和發(fā)展的必由之路。本研究針對(duì)中小勞動(dòng)密集型 散件組裝加工成與熱水器等家電產(chǎn)品配套的部件。
企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行了典型人工動(dòng)作凝練，應(yīng) 企業(yè)的采購(gòu)成本透明，利潤(rùn)空間大，在確保產(chǎn)品質(zhì)量
用國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)攝像機(jī)、可編程邏輯控制器 的前提下，如果企業(yè)能夠率先完成生產(chǎn)線的升級(jí)改
(PLC)、工控機(jī)、傳輸線、檢測(cè)裝置、原料庫(kù)、裝配臺(tái)、 造，就能異軍突起。將機(jī)器人引入該行業(yè)，完成裝
成品庫(kù)和移動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)了先進(jìn)機(jī)器人生產(chǎn)線，并通 配、檢測(cè)、運(yùn)輸、分揀和碼垛，可以將該類自動(dòng)化生產(chǎn)
過軸承和軸承套裝配作業(yè)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可在傳 線的人工由機(jī)器人完成，解決用工成本大和產(chǎn)品質(zhì)
統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線升級(jí)和機(jī)器人代替人工操作中發(fā)揮 量不一致的問題。
作用。
①國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014bakl2b01)，機(jī)器入學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014—008)，校新引進(jìn)教師科研啟動(dòng)項(xiàng)目(XZl306)和葡萄牙
科技部基金CIENCIA2007資助項(xiàng)目。
②男，1974年生，博士，碩士生導(dǎo)師；研究方向：機(jī)器人智能控制；聯(lián)系人，E-mail：zhenlilu@cslg．cn
(收稿13期：20154)5—18)
一815—
萬方數(shù)據(jù)盧振利等：應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的勞動(dòng)密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)
4 手眼系統(tǒng)
通過將大恒DH—SVxl GC系列CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)
安裝在機(jī)器人手臂末端構(gòu)成手眼系統(tǒng)一J，如圖5所
示。攝像機(jī)獲取目標(biāo)物的影像，通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸
(a)Turbo PMACClipper控制卡
到處理器終端。視覺處理軟件分析視野范圍內(nèi)出現(xiàn)
的目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)空間位置以及目標(biāo)姿態(tài)等信息。
其中圖像的處理包括圖像傳輸、圖像采集、圖像灰度
值的計(jì)算等部分。在采集模式下，攝像機(jī)根據(jù)外部
環(huán)境的光線變化，可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)
的曝光時(shí)間和增益值，以最大限度地達(dá)到期望的亮
(b)ACC一1P擴(kuò)展軸} 度。此外，根據(jù)需要，可以設(shè)置圖像中的感興趣的區(qū)
圖3運(yùn)動(dòng)控制器 域，一旦區(qū)域設(shè)置完成，攝像機(jī)將根據(jù)設(shè)定值調(diào)整圖
像，使區(qū)域內(nèi)圖像亮度達(dá)到期望值。
機(jī)器人行走導(dǎo)軌導(dǎo)軌架的底座由方鋼管焊接而
成，如圖4所示。行走部分由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過梅
花聯(lián)軸器連接，將動(dòng)力傳至直線滑到絲杠，最后由連
接在其上的機(jī)器人連接板帶動(dòng)機(jī)器人本體的左右行
走；在光軸兩端的正下方安裝行程開關(guān)的檔片，檢測(cè)
機(jī)器人行走的左右極限位置，保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精
度及安全。
圖5手眼系統(tǒng)
5 生產(chǎn)線其他單元
(a)行走導(dǎo)軌架 生產(chǎn)線其他單元包括皮帶輸送機(jī)、原料倉(cāng)庫(kù)、成
品倉(cāng)庫(kù)、裝配平臺(tái)、分揀倉(cāng)庫(kù)、材質(zhì)檢測(cè)裝置等設(shè)備，
如圖6所示。
原料倉(cāng)庫(kù)采用2層8格16倉(cāng)位，由鋁合金型材
搭建。成品倉(cāng)庫(kù)采用2層4格8倉(cāng)位，由鋁合金型
材搭建。每倉(cāng)位內(nèi)均安裝有倉(cāng)位傳感器用以檢測(cè)工
件的有無。每倉(cāng)位內(nèi)均安裝有倉(cāng)位傳感器用以檢測(cè)
(b)步進(jìn)電機(jī)
工件的有無。
圖4行走基座
裝配平臺(tái)安裝在鋁型材桌上，用于裝配工件。
廢品庫(kù)用于機(jī)器人自動(dòng)放置被檢測(cè)出來的無用工件
一817—
萬方數(shù)據(jù)高技術(shù)通訊2015年8-9月第25卷第8-9期
’～
Turbo PMAC Clipper控制器與PLC進(jìn)行輸入、
輸出點(diǎn)的交換、互相通訊、資源共享，共同控制工業(yè)
機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制工業(yè)機(jī)器人行走步進(jìn)
電機(jī)的工作狀態(tài)，分揀運(yùn)輸帶中的步進(jìn)電機(jī)工作、接
收檢測(cè)傳感器的信號(hào)、工業(yè)機(jī)器人相關(guān)動(dòng)作及整個(gè)
系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止等操作。在整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行過
程中，PLC在實(shí)時(shí)地發(fā)生作用。系統(tǒng)上電后，PLC便
開啟并執(zhí)行初始化程序，手動(dòng)移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人、手動(dòng)
控制傳輸帶由PLC手動(dòng)部分控制；由PLC程序及機(jī)
器人控制程序控制得到相應(yīng)動(dòng)作，機(jī)器人去取軸、機(jī)
器人去取軸套、機(jī)器人裝配完成、工業(yè)機(jī)器人到達(dá)控
制傳輸帶移動(dòng)的位置PLC控制其步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)
(c)輸送、檢測(cè)單元 (d)檢測(cè)傳感器
器人放料完成等操作。
圖6其它單元
工業(yè)機(jī)器人手眼系統(tǒng)通過PLC、I／O、串口通訊
分別與機(jī)器人控制柜、工控機(jī)視覺系統(tǒng)連接組成一
或不合格品。本系統(tǒng)采用兩種顏色的軸類和軸套類
個(gè)完整的控制系統(tǒng)。
工件，兩類工件可以通過機(jī)器人將同顏色工件裝配
成一體成為成品放入成品庫(kù)中。光電對(duì)射傳感器
7 機(jī)器人自動(dòng)裝配作業(yè)
安裝于皮帶輸送機(jī)兩端，用于檢測(cè)工件的有無。材
質(zhì)檢測(cè)裝置主要由材料檢測(cè)傳感器(歐姆龍E2B-
用戶使用示教盒(如圖7所示)進(jìn)行編程與控
M18KNl6一WZ—C12M[1叫)、支架組成，材料檢測(cè)傳感
制。
