2.2 DZ91106型制动鼓抓取工艺

立式加工中心VL-750R负责加工产品内表面，机器人抓取面为产品内孔，工艺过程参见如图2所示。

2.4 0144型制动鼓抓取工艺

立式加工中心VL-850A负责加工孔，机器人抓取面为产品外表波浪面如图3所示。

图2、图3所示的工件移位过程，如果是由人工组装操作，，则现场每台加工机床需要配置一名操作工，总计6台设备可以出一件成品。这样需要6名操作人员，还有2名毛坯和成品的物流配合人员。由于产品比较重，整体产品的合格率只有50%。

3 机器人移位实现

3.1机器人抓手选型计算

机器人抓手选择一台机器人安装2套抓手，一个抓手下料，另一个抓手上料，可以节约时间。这样就需要仔细计算机器人的负载问题。

负载计算：产品最重50㎏，两件产品则为100㎏；根据产品图纸，机器人的抓手需要一套抓取内孔(如图3)，一套抓取外圆(如图4)。选择采购ZIMMER公司的三爪抓手。初步选型为GPD5025SC和GPD5025SO：

相关抓手参数如表1所示。

表1 ZIMMER三爪抓手参数表

计算如下：

钢与钢的静摩擦系数：0.05；

外圆抓手选择：

GPD5025SC的外圆夹紧力：0.05×22270=1113.5（N）=111.35（㎏）

使用该抓手气缸的安全系数：111.35÷50≈2.2

根据机械设计手册，在中载行业，该安全系数合适。

内孔抓手选择：

GPD5025SO的内孔撑紧力=0.05×22850=1142.5（N）=114.25（㎏）

使用该抓手气缸的安全系数=114.25÷50≈2.3

根据机械设计手册：在中载行业，该安全系数合适。

同时单个手指行程为14mm,在抓取产品时给与产品比价合理的外形误差范围。建议客户的零件外形误差一致性不大于4mm。

按照以上计算，机器人总计要承担的负载为：

G=2套产品重量+2套抓手重量+6根手指重量+线缆等

初步机器人至少需满足的负载能力为：

G=50+50+17.6+17.6+6*7(抓手手册推荐数据)+1(经验数据)=178.2(㎏)

3.2抓手机械设计

抓手的设计分别抓取外圆和内孔。同时外圆抓取曲面，所以加工时要标注为仿形加工。由于抓取过程中要注意产品是否在机械手上，所以要安装接近开关，当产品抓取到，会有信号给机器人，表示可以进行下一步动作。如果没有信号，表示没有抓取到位，等待人工检查。同时三爪抓手的最大优势，是可以自动找到圆形产品的中心线，实现“自动定心”的目标功能。

外圆抓手设计图参见图4所示。内孔抓手设计图如图5所示。

3.3机器人初步选型

参见3.1机器人抓手选型计算，机器人的负载能力要大于178.2㎏。选择安川机器人，初步选型MS210机器人，可以承载210㎏的负载。机器人的负载安全系数为210114.25÷178.2≈1.2。满足轻载项目需求。仔细考虑机器人的动作过程，首先机器人同时抓取两个产品的时间只有抓取加工完成的产品，另一个手抓取要放下的产品交替过程阶段，其余都是只抓取一个产品。另外，机器人的运动动作在该项目中不能太快，否则一旦发生产品抓取不牢，产品飞出去会造成极大的安全事故。所以选择初步选择MS210机器人。该机器人的外形图及相

关参数如图6所示。机器人控制柜外观如图7所示。



 

3.4切削液清理

加工完成后，内孔表面的切削液和刀屑之前需要人工拿压缩空气吹干净，但是产品重量重，人工操作比较难，需要自动化。设计思路：设计支架，上面安装多个吹气嘴，机器人抓取产品上下运动，使内表面可以都被压缩空气吹到。机器人动作次数可以在系统中修改。下方的

抽屉可以接取废料，到一定时间人工清理。切削液自动吹气机构如图8所示。

3.5方案布置图设计

方案布置图的设计，首先优化现场布局图，同时工艺满足。

(1)来料状态：产品基本成型(离心铸造)，298mm内孔朝下放置。机器人需要首先抓取410mm内孔上下料：第一序：机器人抓取410mm内孔工件，放置到4台立车，精加工410mm内孔。第二序：将产品翻面，精加工298mm内孔及10个23mm圆孔。需要2台加工中心就可以匹配整体的加工节拍。

(2)加工完成，清洗内：输出，同时表面激光雕刻二维码。整体节拍10分钟/件。

根据该加工工艺，制作方案布置图初稿如图9所示。

 

整个方案需要2名操作者，一名操作复杂在上料台车附件给托盘上料，一名操作者偶尔进行抽检。而产品的输出总结通过输送线输送至下一个车间。

3.6节拍计算

整个项目的节拍，10分钟完成一件产品，而机器人的动作速度为：S轴水平运动120°/s。我们按照机器人的动作范围约360°(四台立车到过渡台)。运转速度不能太快，按照20%的速度运行，则S轴运行360°，需要15秒。一个流程机器人需要实现：

(1)抓取(4s)+提升(4s)+平移(15s)+下降(4s)+抓取(4s)+旋转抓手(4s)+放置过渡台(15s)+返回原点(15s)=65(s)。一台机器人足够应对4台立车。

(2)同理，计算另一台机器人应对2套加工中心：

过渡台抓取(4s)+提升(4s)+平移(15s)+下降(4s)+抓取(4s)+旋转抓手(4s)+ 返回原点(15s)=50(s)。一台机器人足够应对2台加工中心。

4 新增设备配置

4.1上料台车

    台车属于气缸推动料盘结构，制作2套。每个料盘放置4个产品，加工完成后循环使用。空图盘运行至安全栏外，人工装料。装料完成的自动进入安全栏内，机器人抓取，每个零件是否放置到位都有开关检测。实现不停机生产。而每次人工装料的时间约4个零件=8分钟，加工完成4个零件的时间为40分钟，操作者至少可以休息20分钟，大大降低了劳动强度。

入料台车如图10所示。

4.2过渡台

用于将R1加工完的零件放置到位，方便R2机器人抓取内控表面。同时根据空间最大可以放置4个零件，也就是意味着当R1发生问题时，R2机器人还可以抓取4个零件，有40分钟的维修时间。给维修者提供了更加充足的时间余量。每个支架上安装开关，检测是否放置零件，机器人会根据空位信息自动补齐零件。过渡台如图11所示。

4.2 安全围栏

整个系统设计安全围栏，避免人工进入区域发生事故。围栏选择丝网状，既可以参观到内部生产情况，又可以避免人员进入。只有操作者打开安全门，系统所有设备立即停止动作，等待人工复位方可工作。安全围栏如图12所示。

5 PLC系统控制

项目控制系统部分采用PLC控制，PLC程序具有自动、检测、保护、报警等功能,并能显示各单元的运行状态，包括：急停监控界面、站状态监控界面、错误监控界面、自动/手动及强制操作与监控界面、维修界面、所有动作位置、输入、输出信号当前状态界面等。

控制系统有自动、手动、强制、空循环运行方式选择和当前运行方式指示。

自动运行(单循环)方式：在原位状态，外部放置工件后，通过按钮启动，设备自动完成所有动作循环，返回到原位状态，并给出循环完成指示信号(柱状指示灯)，该循环停止。启动设备在自动运行循环过程中出现故障，手动方式或其它手段把故障排除后，设备仍可以在停止位置再启动，并完成该自动循环的工作。

手动方式：设备的各种互锁有效，在保证无设备及人员伤害的情况下，设备的所有可运动装置都可单独手动控制运动，选择运动装置及运动方向后，在执行按钮按下时，开始执行该动作，直至该动作完成。对于可中途停止的设备装置，如果动作未完成前执行按钮松开，则动作停止，再次按执行按钮可继续执行。

强制方式(钥匙开关)：与手动方式的区别在于，除安全互锁信号有效外，其它互锁信号无效，其它部分与手动相同。

空循环方式：设备可以在没有工件的情况下，能够完成整个控制系统连续多循环自动运行。

当出现故障时，能显示故障详细信息。控制柜设控制电源开关，使用取插钥匙式，左转为切断，仅左转能拔出。

6 结束语

根据以上过程的研发设计，研发改造通过2台MS210机器人，结合4套三爪抓手、中转台、上料机构、测试线、PLC系统实现了自动化设备之间上料、下料、定位均无人参与全自动化运行。整个生产至少每个零件至少节约了15分钟，省去操作人员6人。同时所有的运行数据、生产数据、二维码信息等全部可以接入MES系统，为车间下一步的智能生产做准备。该项目作为全国第一套复合制动鼓加工机器人自动化项目，不仅降低了成本，还从50%的合格率上升到92%的合格率，推进工业4.0的发展。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（第五版）.北京：化学工业出版社，2008.

[2]德国ZIMMER公司.气动MKS系列产品说明书,2018.

[3]亚德客国际集团.亚德客综合型录2017.

[4]喜开理（中国）有限公司.CKD综合型录2017.

[5]陈国华.机械结构及应用.北京：机械工业出版社，2008.

[6]安川电机（中国）有限公司.产业用机器人MOTOMAN系列综合样本,2016.