高技術通訊2015年第25卷第8-9期：815—821
doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2015．08-09．009
應用工業(yè)機器人的勞動密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設計①
盧振利②一一“ 孫凱翔‘ 葛晨斌+ 許仙珍’ 單長考‘ 劉叔軍+ 李斌”
(+常熟理工學院電氣與自動化工程學院 常熟215500)
(”中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽110014)
(…阿威羅大學，電子和信息通信工程研究所 阿威羅3810·193，葡萄牙)
摘要提出了應用工業(yè)機器人技術升級原有自動化生產(chǎn)線的理念，選取電子原件裝配
行業(yè)為研究對象，剖析了勞動力在自動化生產(chǎn)線中的作用，在此基礎上為勞動密集企業(yè)設
計了以工業(yè)機器人為主體的裝配、檢測、分揀、碼垛自動化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過機器人
手眼系統(tǒng)完成典型的裝配作業(yè)，能夠降低勞動力成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。該項研
究可為長三角地區(qū)勞動密集型產(chǎn)業(yè)的升級——“工業(yè)機器人代替人”提供技術儲備。
關鍵詞生產(chǎn)線，工業(yè)機器人，裝配作業(yè)，勞動密集型
0 引言 1 生產(chǎn)線典型人工動作凝練
目前我國機器人密度相對而言還很低，2011年 以長三角地區(qū)某漏電保護插座生產(chǎn)企業(yè)為例進
僅為每萬人21臺，而世界平均為每萬人55臺¨引。 行了研究。該企業(yè)成立于20世紀90年代，其產(chǎn)品
從長三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，工業(yè)機器人在噴涂和 型號不多，但需求量大，經(jīng)過多次改進，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)
焊接行業(yè)得到了廣泛應用，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)，勞動密集型的中小企業(yè)云集陋]，勞 形成了自動化生產(chǎn)線。每個工位人工完成元器件的
動力成本上升，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證，引入機器人 裝配、檢測及專用設備的焊接等，如圖l所示。
代替人工，通過機器人實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線，是企業(yè)生 該類企業(yè)的生產(chǎn)任務主要是將采購的原材料和
存和發(fā)展的必由之路。本研究針對中小勞動密集型 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)的自動化生產(chǎn)線進行了典型人工動作凝練，應 企業(yè)的采購成本透明，利潤空間大，在確保產(chǎn)品質(zhì)量
用國產(chǎn)工業(yè)機器人、工業(yè)攝像機、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)線的升級改
(PLC)、工控機、傳輸線、檢測裝置、原料庫、裝配臺、 造，就能異軍突起。將機器人引入該行業(yè)，完成裝
成品庫和移動導軌設計了先進機器人生產(chǎn)線，并通 配、檢測、運輸、分揀和碼垛，可以將該類自動化生產(chǎn)
過軸承和軸承套裝配作業(yè)試驗證明，該系統(tǒng)可在傳 線的人工由機器人完成，解決用工成本大和產(chǎn)品質(zhì)
統(tǒng)自動化生產(chǎn)線升級和機器人代替人工操作中發(fā)揮 量不一致的問題。
作用。
①國家科技支撐計劃(2014bakl2b01)，機器入學國家重點實驗室開放基金(2014—008)，校新引進教師科研啟動項目(XZl306)和葡萄牙
科技部基金CIENCIA2007資助項目。
②男，1974年生，博士，碩士生導師；研究方向：機器人智能控制；聯(lián)系人，E-mail：zhenlilu@cslg．cn
(收稿13期：20154)5—18)
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萬方數(shù)據(jù)盧振利等：應用工業(yè)機器人的勞動密集型企業(yè)典型生產(chǎn)線的設計
4 手眼系統(tǒng)
通過將大恒DH—SVxl GC系列CCD數(shù)字攝像機
安裝在機器人手臂末端構(gòu)成手眼系統(tǒng)一J，如圖5所
示。攝像機獲取目標物的影像，通過以太網(wǎng)絡傳輸
(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)
的目標數(shù)量、目標空間位置以及目標姿態(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
值的計算等部分。在采集模式下，攝像機根據(jù)外部
環(huán)境的光線變化，可以在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)相機
的曝光時間和增益值，以最大限度地達到期望的亮
(b)ACC一1P擴展軸} 度。此外，根據(jù)需要，可以設置圖像中的感興趣的區(qū)
圖3運動控制器 域，一旦區(qū)域設置完成，攝像機將根據(jù)設定值調(diào)整圖
像，使區(qū)域內(nèi)圖像亮度達到期望值。
機器人行走導軌導軌架的底座由方鋼管焊接而
成，如圖4所示。行走部分由步進電機驅(qū)動，通過梅
花聯(lián)軸器連接，將動力傳至直線滑到絲杠，最后由連
接在其上的機器人連接板帶動機器人本體的左右行
走；在光軸兩端的正下方安裝行程開關的檔片，檢測
機器人行走的左右極限位置，保證機器人的運動精
度及安全。
圖5手眼系統(tǒng)
5 生產(chǎn)線其他單元
(a)行走導軌架 生產(chǎn)線其他單元包括皮帶輸送機、原料倉庫、成
品倉庫、裝配平臺、分揀倉庫、材質(zhì)檢測裝置等設備，
如圖6所示。
原料倉庫采用2層8格16倉位，由鋁合金型材
搭建。成品倉庫采用2層4格8倉位，由鋁合金型
材搭建。每倉位內(nèi)均安裝有倉位傳感器用以檢測工
件的有無。每倉位內(nèi)均安裝有倉位傳感器用以檢測
(b)步進電機
工件的有無。
圖4行走基座
裝配平臺安裝在鋁型材桌上，用于裝配工件。
廢品庫用于機器人自動放置被檢測出來的無用工件
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萬方數(shù)據(jù)高技術通訊2015年8-9月第25卷第8-9期
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Turbo PMAC Clipper控制器與PLC進行輸入、
輸出點的交換、互相通訊、資源共享，共同控制工業(yè)
機器人的運行狀態(tài)。PLC控制工業(yè)機器人行走步進
電機的工作狀態(tài)，分揀運輸帶中的步進電機工作、接
收檢測傳感器的信號、工業(yè)機器人相關動作及整個
系統(tǒng)的啟動、停止等操作。在整個控制系統(tǒng)運行過
程中，PLC在實時地發(fā)生作用。系統(tǒng)上電后，PLC便
開啟并執(zhí)行初始化程序，手動移動工業(yè)機器人、手動
控制傳輸帶由PLC手動部分控制；由PLC程序及機
器人控制程序控制得到相應動作，機器人去取軸、機
器人去取軸套、機器人裝配完成、工業(yè)機器人到達控
制傳輸帶移動的位置PLC控制其步進電機運轉(zhuǎn)、機
(c)輸送、檢測單元 (d)檢測傳感器
器人放料完成等操作。
圖6其它單元
工業(yè)機器人手眼系統(tǒng)通過PLC、I／O、串口通訊
分別與機器人控制柜、工控機視覺系統(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
個完整的控制系統(tǒng)。
工件，兩類工件可以通過機器人將同顏色工件裝配
成一體成為成品放入成品庫中。光電對射傳感器
7 機器人自動裝配作業(yè)
安裝于皮帶輸送機兩端，用于檢測工件的有無。材
質(zhì)檢測裝置主要由材料檢測傳感器(歐姆龍E2B-
用戶使用示教盒(如圖7所示)進行編程與控
M18KNl6一WZ—C12M[1叫)、支架組成，材料檢測傳感
制。