焊接线外置机器人抓手切换自动化方案

徐文康

（广汽乘用车有限公司 技术中心，广东 广州 511434）

随着焊装生产线共线生产车型增多，机器人抓手存放库位达到饱和，部分抓手只能放置线外，需解决外置抓手的自动化切换问题。解决自动化切换，关键在于解决抓手存放车的自动定位与电气对接问题，并通过电信号反馈，实现智能控制。

1 整体构想

本案例采用抓手存放车实现抓手的线外存放，如图1所示，抓手存放车上有定位夹紧装置， 能够实现抓手的精确定位和恒久夹紧。抓手存放车定位装置具有定位夹紧装置，能够实现抓手存放车的精确定位，抓手存放车定好位之后，其上的抓手也获得精确的位置，供机器人按照预定的轨迹进行抓手的拾取或存放。抓手存放车与定位装置精确对接后，通过气路接通装置能够实现抓手存放车气路通气，通过无线耦合能够实现抓手存放车的检测信号传输至线体可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC），从而实现PLC对抓手存放车的气路控制，根据程序设定控制气动机构的关闭与打开。抓手存放车与抓手存放车定位装置布置了传感器，通过感应器反馈的信号变化实现智能化控制。

图1 整体构想图

2 定位方式设计

2.1 抓手存放车对抓手的定位方式

抓手结构如图2所示，其采用定位面1、定位面2、定位销1、定位销2分别与抓手存放车支撑面2、支撑面1、定位孔2、定位孔1进行对接定位，如图3所示，使得抓手在上、下、前、后、左、右6个方向获得精确定位。抓手存放车在支撑面1与定位孔2相应位置分别自带气缸压紧机构，抓手放置到位，气缸压紧机构紧接着压紧抓手2个对角，气缸带断气自锁装置，即使在断气 条件下，仍然具备强大的压紧力，从而使抓手可 靠固定在抓手存放车上，移动时不易发生晃动。

图2 抓手结构图

图3 抓手存放车（俯视图）

2.2 定位装置对抓手存放车的定位形式

图4 抓手存放车（仰视图）

抓手存放车推入上料口过程中通过左右两排导轮（导轮1—导轮8）契合地面两条导轨（导轨1、导轨2）进行定向运动，如图4、图5所示，运动到一定程度，前限位块接触到前限位滚轮，无法继续向前，表明抓手存放车推入到位，此时 导向销1，导向销2也同时分别进入定位滚柱3和定位滚柱4，使抓手存放车的左右方向获得粗略的定位。接下来，后限位滚轮受气缸4的带动打向后限位块，使抓手存放车的前后方向获得粗略的定位。最后，4个顶升气缸（顶升气缸1—4）同时将抓手存放车顶起，顶升气缸的行程固定，抓手存放车顶升到一定高度后，4个限位块（限位块1—4）将抓手存放车限制在一个精确的高度，同时顶升气缸3和顶升气缸4上的定位销分别进入定位滚柱2和定位滚柱1，从而使抓手存放车的上、下、前、后、左、右都获得一个精确的定位。

图5 抓手存放车定位装置（俯视图）

3 气动装置设计

3.1 抓手存放车设计

如图3所示，气缸1、气缸3主要控制两个夹紧单元的夹紧与打开，气缸2主要控制抓手防尘盖打开与关闭。当机器人将抓手放置到抓手存放车后，气缸1、气缸3控制夹紧单元夹紧抓手，机器人脱开抓手并离开后，气缸2控制抓手防尘盖关闭；当机器人要从抓手存放车拾取抓手时，则气缸2提前控制抓手防尘盖打开，机器人过来与抓手进行对接，对接完成后，气缸1、气缸3控制夹紧单元打开释放抓手，机器人开始拾取抓手脱离抓手存放车。

3.2 抓手存放车定位装置设计

如图3所示，顶升气缸1—4控制抓手存放车的上升与下降，兼具定位功能。气缸4控制后限位滚轮摆臂动作，主要防止抓手存放车后退，旁边的行程开关主要用于确认抓手存放车是否到位。气缸5主要用于控制气路接通装置输送端与接收端进行对接。

当抓手需切入线体，抓手存放车推入上料口与抓手存放车定位装置进行对接，行程开关在抓手存放车推入的过程中被拨开，气缸4解锁，气缸4控制后限位滚轮压住抓手存放车后限位块，防止抓手存放车后退。接着顶升气缸1—4同时顶升，将抓手存放车顶起，并使其获得精确定位。最后气缸5控制气路接通装置输送端与接收端进行对接，实现抓手存放车气路与气源接通。

当抓手需脱离线体，气缸5控制气路接通装置输送端与接收端脱离，抓手存放车断开气源，接着顶升气缸1—4同时带动抓手存放车下降，抓手存放车落地，顶升气缸继续下降与抓手存放车完全脱开，然后气缸4控制后限位滚轮打开，最后将抓手存放车从上料口拉出来，行程开关在抓手存放车拉出的过程中复位，重新对气缸4进行锁定。

3.3 气路接通装置设计

气路接通装置（如图6所示）由接收端、输送端组成，接收端固定在抓手存放车上，输送端与气缸5相连，通过气缸带动实现跟接收端对接与脱开。双导杆机构满足输送端运动过程中不发生偏向。输送端的定位销与接收端的定位孔，实现输送端的气孔与接收端的气孔精准对接。传感器5主要用于检测气路接通装置输送端与接收端的对接信号，当输送端与接收端对接即产生检测信号，输送端气路解锁，实现通气。

图6 气路接通装置

4 信号检测与传输装置

4.1 抓手存放车设计

如图3所示，传感器1、2采用对角布置，双重检测，主要用于检测抓手信号。气缸1、2、3具备状态检测功能，用来获知所在机构处于打开状态还是关闭（夹紧）状态。无线耦合（传感器测）主要用于将抓手存放车检测信号传输给主线，并接收从主线传输过来的指令，分别控制气缸1、2、3等的动作。

4.2 抓手存放车定位装置

如图3所示，传感器3、4、6、7主要用于检测抓手存放车顶升到位信号。传感器5主要用于检测气路接通装置的输送端与接收端对接信号，当输送端与接收端对接即产生检测信号，输送端气路解锁，实现通气。顶升气缸1、2、3、4具备状态检测功能，用来获知气缸处于顶升状态还是下降状态。行程开关具备状态检测功能，用来获知行程开关处于被拨开的状态还是复原状态。无线耦合（PLC侧）主要用于将抓手存放车检测信号传输给主线，并接收从主线传输过来的指令，分别控制气缸1、2、3等的动作。

4.3 无线耦合器设计

如图7所示，无线耦合一端连接传感器，另一端连接PLC。两端靠近后能够在不接触的情况下，实现信号相互传输。

图7 无线耦合

5 自动化控制方案

5.1 抓手切入线体自动化方案

将抓手存放车推入上料口，按启动按钮，当检测抓手存放车已经到位，则后限位机构压紧抓手存放车，防止其后退，同时后限位机构的气缸反馈一个到位信号。4个顶升气缸将抓手存放车顶起，同时反馈到位信号，确保抓手存放车顶升到位。气路接通装置输送端与接收端对接，同时反馈对接到位信号。气路接通装置输送端气路解锁，实现向抓手存放车气路通气。防尘罩气缸接收指令打开防尘罩，同时反馈打开到位信号。机器人从Home位运动到抓手上方，机器人末端工具快换装置（Automatic Tool Changer, ATC）机器人端与抓手端开始对接，并反馈对接OK的信号。抓手存放车夹紧机构打开释放抓手，并反馈完全打开信号。机器人拾取抓手回到Home位，并提供到位信号。气路接通装置输送端锁定气路，并反馈信号。气路接通装置输送端退回，并反馈信号。顶升气缸下降抓手存放车落回地面，并反馈信号。后限位机构打开，将抓手存放车拉出上料口。

5.2 抓手从线体回收自动化方案

将抓手存放车推入上料口，按启动按钮，当检测抓手存放车已经到位，则后限位机构压紧抓手存放车，防止其后退，同时后限位机构的气缸反馈一个到位信号。4个顶升气缸将抓手存放车顶起，同时反馈到位信号，确保抓手存放车顶升到位。气路接通装置输送端与接收端对接，同时反馈对接到位信号。气路接通装置输送端气路解锁，实现向抓手存放车气路通气。机器人从Home位将抓手放到抓手存放车，抓手存放车检测抓手是否放置到位，并反馈信号。抓手存放车夹紧机构夹紧抓手，并反馈夹紧到位信号。机器人与抓手脱开并回到Home位，并反馈到位信号。抓手防尘盖关闭，并反馈气缸到位信号。气路接通装置输送端锁定气路，并反馈信号。气路接通装置输送端退回，并反馈信号。顶升气缸下降抓手存放车落回地面，并反馈信号。后限位机构打开，将抓手存放车拉出上料口。

6 结论

本方案解决了线外机器人抓手自动化切换的问题，适应了焊装多车型共线生产的需求，主要带来以下效益。

（1）操作简单，作业舒适性好。整个切换过程采用PLC自动控制及气路驱动，无需人工接通气路、打开抓手防尘罩，或打开夹紧机构，只需将抓手存放车推入上料口，拍按钮即可，杜绝了高强度作业。

（2）安全系数高。全程采用PLC自动控制，每一步动作均有信号反馈，形成闭环控制，消除人为误判或误操作可能性。

（3）稳定性高，故障率低。抓手存放车采用了精确而有效的定位形式，保证抓手有良好的重复性定位，机器人能够通过固定的运行轨迹来拾取抓手或者放置抓手。

（4）抓手切入线体的耗时短，设备开动率提升。整个切换过程采用自动连贯切换，PLC控制能够对信号进行快速处理并发出指令，气动元器件能够快速响应PLC指令并动作，从而大大缩短切换时间。