工业机器人在拖拉机变速箱生产线自动化改造中的应用
龚洪浪 李丽娜
摘 要： 为了提升流水线作业能力，提出应用工业机器人进行拖拉机变速箱生产线自动化改造的解决方案。所提改造方案选择我国自主研发的ER50?C20工业机器人进行自动化生产，通过实地考察拖拉机变速箱生产线环境，对工业机器人安装方位、工业机器人操作范围、产品传动空间和产品搬运方位等生产线布局进行了改造，使用ROBOGUIDE软件对工业机器人的自动化加工进程进行编程，并给出控制工业机器人动作的控制函数。实验结果表明，经改造后，拖拉机变速箱自动化生产线的生产负荷大幅度降低，产品质量得到了改进。
关键词： 工业机器人； 拖拉机变速箱； 生产线； 自动化改造
中图分类号： TN830.1?34； TP242.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0114?03
Abstract： In order to improve the operational capability of the assembly line， a solution of applying industrial robots to automation reconstruction of the tractor gearbox production line is proposed. In the solution， the ER50?C20 industrial robot researched and developed in China is selected for the automation production. The production line layout containing installation position and operation range of industrial robots， product gearing space， and product transportation orientation was reconstructed according to the on?the?spot investigation result of tractor gearbox production line environment. The ROBOGUIDE software is used to compile the program for the automation processing procedure of industrial robot， and the control function that controls industrial robot motion is given. The experimental results show that the the production load of the reconstructed tractor gearbox automation product line is greatly reduced， and the product quality has been improved.
Keywords： industrial robot； tractor gearbox； production line； automation reconstruction
0 引 言
拖拉机变速箱是实现车轮传动的主要结构之一，是承担零件机械能量的基础设备，变速箱生产质量关系着拖拉机是否能够稳定运行。为了满足市场需求，拖拉机变速箱生产线需要保质保量地生产多种型号、品类以及批号的变速箱，通常采用流水线作业[1]，以实现批量生产，生产线自动化水平决定着流水线作业能力。拖拉机变速箱生产线的自动化是指用生产参数限制生产进程，构造特定结构及功能的拖拉機变速箱产品[2]。在自动化生产过程中，需要不断控制生产参数并反馈产品性质，减少结构及功能偏差[3]。工业机器人在近些年来不断在工业加工领域中发挥作用，其快速、智能、精准、环保数控加工优势为生产线自动化改造提供了优质解决方案，不但能节省用工开支[4]，还能提高生产效率和产品制造工艺，是未来工业加工领域的必备设施。为了提高拖拉机变速箱生产线的生产效率和产品制造工艺，应用工业机器人进行生产线自动化改造[5]，改变低能、刚性生产能力，适应科技社会发展和市场需求。
1 工业机器人在生产线自动化改造中的应用
1.1 改造后的生产线布局
应用工业机器人的拖拉机变速箱生产线是一个复杂系统，由自动化生产仪器、传动线以及各类传感器构成[6]。工厂环境决定着这个复杂系统的布局，通过实地考察拖拉机变速箱生产线环境，对生产线布局进行规划。工业机器人与其他自动化生产仪器不能出现干涉[7]，以避免安全事故。传动线运动轨迹受限于变速箱高度，需要保证在传动过程中产品位置的绝对稳定，产品搬运方位应满足最小传动空间[8]。生产线整体布局不可过于松散，各个仪器间的连接应考虑到最短接线原则，同时合理安排仪器数量与实际使用功率，以节省生产开支。容易产生干扰的仪器应被隔离，切勿与工业机器人过于贴近。根据上述生产线布局规划要求，给出拖拉机变速箱生产线在工业机器人自动化改造下的生产线布局，如图1所示。
图1中，1号位和2号位共同组成产品传动空间，1号位是传动主机，2号位是传动控制平台，3号位是拖拉机变速箱生产流水线作业平台，4号位放置变速箱零件托盘，5号位安装是托盘放行仪器，6号位是工业机器人安装方位。传动主机将生产零件传送到作业平台前端，送至4号位托盘中，工业机器人对托盘零件进行加工，传感器将不断向控制平台发送加工情况，待监测到变速箱加工后，传动控制平台开启托盘放行仪器，将产品搬运到目标方位[9]。
1.2 工业机器人在自动化生产中的应用
传动控制平台给出工业机器人的操作规范都是在生产现场即时编写的，编程软件为ROBOGUIDE，其可进行机器人离线三维仿真编程，应用界面友好，能够给出精确的操作周期，保证操作规范可行性。工业机器人进行拖拉机变速箱的自动化加工分5步进行，依次是：确定待加工零件方位、抓取待加工零件、取料、放料、旋转加工。
图2、图3是工业机器人对待加工零件和变速箱配料的操作示意图，工业机器人收到传动控制平台的上料指示，抓取相应的待加工零件和配料，下料后进行旋转加工。当传感器采集数据提示配料不足时，上料指示灯亮起，再次进行取料和放料操作，一个拖拉机变速箱加工完成后，放行仪器开启。
1.3 工业机器人动作控制
工业机器人的型号很多，经过多方对比，采用ER50?C20型号的工业机器人进行拖拉机变速箱生产自动化改造。ER50?C20由我国自主研发，额定载荷高于50 kg，机器人操作臂的最大能动距离为2.2 m，手臂长为1 m，操作界面友好、编程简易、维修简单，能够完全接受传动控制平台的管控，与控制仪器兼容性良好。ER50?C20工业机器人的操作臂拥有6个自由度，能够进行零件搬移、配料抓取、切割、雕刻、水磨等操作，运动控制误差低于0.1 mm，最大旋转角度为±480°。
由于工业机器人进行拖拉机变速箱加工时采用的是笛卡尔坐标系，但自由度旋转却是以世界坐标系为基准的，所以在控制工业机器人加工动作时需要先描述笛卡尔坐标系与世界坐标系的换算关系。
设任意点[P]位于笛卡尔坐标系[A]中，[P]点坐标向量为[Ap=[px，py，pz]]。设点[B]是工业机器人的目标移动点，[B]是世界坐标系，[B]点在世界坐标系的坐标向量为[Bb=[xB，yB，zB]]，坐标系[A]，[B]的换算关系见图4。
由图4可知，[P]点在笛卡尔坐标系的x轴延长线正好经过[B]点所处世界坐标系的原点，则ER50?C20工业机器人从[P]点移动到[B]点所经历的动作控制过程可用一个齐次变换矩阵表示，如下：
2 实验分析
生产负荷是生产项目一个特定周期内产品总产量与预计产量的比值，可以用来评估生产企业的生产能力和盈利情况。在使用ER50?C20工业机器人进行拖拉机变速箱生产线自动化改造前，我国江苏某工业加工企业生产的拖拉机变速箱有3种型号，其生产负荷如表1所示（表中数据为该企业2015年全年统计量）。
经过ER50?C20工业机器人改造拖拉机变速箱生产线自动化水平之后，使用改造方案进行6个月的试运行实验。实验结束后，试运行期间的用工成本降低至去年同期的[23]，产品加工精度不断增高，产品质量得到了大幅度提升。假设改造后每个月的产量相等，将试运行期间产量换算至全年产量，计算生产负荷，如表2所示。改造后拖拉机变速箱的单件平均加工时间有所缩短，年产量由原来的每种类型4 500台上升至8 000台，生产负荷得到显著提升，证明了ER50?C20工业机器人在拖拉机变速箱生产线自动化改造应用中的可行性。
3 结 论
本文探讨了工业机器人在拖拉机变速箱生产线自动化改造中的應用，并进行了实验证明。得出本文给出的改造方案不但能提高加工企业自动化水平，增益企业生产能力和利润，也对未来工业企业发展贡献了强有力的资源。
参考文献
[1] 赵克转，徐泽宇.一种新型工业机器人六维力传感器设计研究[J].传感器与微系统，2015，34（5）：5?7.
[2] 肖超，周玉林，盛海泳，等.工业机器人机械本体模块化设计[J].中国机械工程，2016，27（8）：1018?1025.
[3] 王鹏，周志立，徐立友.拖拉机液压机械无级变速器试验台设计[J].农机化研究，2015，37（3）：95?98.
[4] 张野，张瑞宏，金亦富，等.基于北斗导航的自动驾驶系统在农用拖拉机上的应用[J].农业装备技术，2016，42（3）：8?10.
[5] 计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程，2015，32（1）：1?13.
[6] 齐飞，平雪良，刘洁，等.关于工业机器人标定方法的研究[J].机床与液压，2015，43（21）：32?36.
[7] 万剑锋，黎洪松.基于图像识别的生产线零件分拣系统[J].现代电子技术，2016，39（12）：62?65.
[8] 梅东棋，田威，廖文和.面向飞机自动化装配的工业机器人标定技术[J].航空精密制造技术，2015，51（1）：40?43.
[9] 李煜卉，彭勇刚.工业机器人通用图形化编程软件的研究[J].机电工程，2016，33（4）：502?506.
摘 要： 为了提升流水线作业能力，提出应用工业机器人进行拖拉机变速箱生产线自动化改造的解决方案。所提改造方案选择我国自主研发的ER50?C20工业机器人进行自动化生产，通过实地考察拖拉机变速箱生产线环境，对工业机器人安装方位、工业机器人操作范围、产品传动空间和产品搬运方位等生产线布局进行了改造，使用ROBOGUIDE软件对工业机器人的自动化加工进程进行编程，并给出控制工业机器人动作的控制函数。实验结果表明，经改造后，拖拉机变速箱自动化生产线的生产负荷大幅度降低，产品质量得到了改进。
关键词： 工业机器人； 拖拉机变速箱； 生产线； 自动化改造
中图分类号： TN830.1?34； TP242.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0114?03
Abstract： In order to improve the operational capability of the assembly line， a solution of applying industrial robots to automation reconstruction of the tractor gearbox production line is proposed. In the solution， the ER50?C20 industrial robot researched and developed in China is selected for the automation production. The production line layout containing installation position and operation range of industrial robots， product gearing space， and product transportation orientation was reconstructed according to the on?the?spot investigation result of tractor gearbox production line environment. The ROBOGUIDE software is used to compile the program for the automation processing procedure of industrial robot， and the control function that controls industrial robot motion is given. The experimental results show that the the production load of the reconstructed tractor gearbox automation product line is greatly reduced， and the product quality has been improved.
Keywords： industrial robot； tractor gearbox； production line； automation reconstruction
0 引 言
拖拉机变速箱是实现车轮传动的主要结构之一，是承担零件机械能量的基础设备，变速箱生产质量关系着拖拉机是否能够稳定运行。为了满足市场需求，拖拉机变速箱生产线需要保质保量地生产多种型号、品类以及批号的变速箱，通常采用流水线作业[1]，以实现批量生产，生产线自动化水平决定着流水线作业能力。拖拉机变速箱生产线的自动化是指用生产参数限制生产进程，构造特定结构及功能的拖拉機变速箱产品[2]。在自动化生产过程中，需要不断控制生产参数并反馈产品性质，减少结构及功能偏差[3]。工业机器人在近些年来不断在工业加工领域中发挥作用，其快速、智能、精准、环保数控加工优势为生产线自动化改造提供了优质解决方案，不但能节省用工开支[4]，还能提高生产效率和产品制造工艺，是未来工业加工领域的必备设施。为了提高拖拉机变速箱生产线的生产效率和产品制造工艺，应用工业机器人进行生产线自动化改造[5]，改变低能、刚性生产能力，适应科技社会发展和市场需求。
1 工业机器人在生产线自动化改造中的应用
1.1 改造后的生产线布局
应用工业机器人的拖拉机变速箱生产线是一个复杂系统，由自动化生产仪器、传动线以及各类传感器构成[6]。工厂环境决定着这个复杂系统的布局，通过实地考察拖拉机变速箱生产线环境，对生产线布局进行规划。工业机器人与其他自动化生产仪器不能出现干涉[7]，以避免安全事故。传动线运动轨迹受限于变速箱高度，需要保证在传动过程中产品位置的绝对稳定，产品搬运方位应满足最小传动空间[8]。生产线整体布局不可过于松散，各个仪器间的连接应考虑到最短接线原则，同时合理安排仪器数量与实际使用功率，以节省生产开支。容易产生干扰的仪器应被隔离，切勿与工业机器人过于贴近。根据上述生产线布局规划要求，给出拖拉机变速箱生产线在工业机器人自动化改造下的生产线布局，如图1所示。
图1中，1号位和2号位共同组成产品传动空间，1号位是传动主机，2号位是传动控制平台，3号位是拖拉机变速箱生产流水线作业平台，4号位放置变速箱零件托盘，5号位安装是托盘放行仪器，6号位是工业机器人安装方位。传动主机将生产零件传送到作业平台前端，送至4号位托盘中，工业机器人对托盘零件进行加工，传感器将不断向控制平台发送加工情况，待监测到变速箱加工后，传动控制平台开启托盘放行仪器，将产品搬运到目标方位[9]。
1.2 工业机器人在自动化生产中的应用
传动控制平台给出工业机器人的操作规范都是在生产现场即时编写的，编程软件为ROBOGUIDE，其可进行机器人离线三维仿真编程，应用界面友好，能够给出精确的操作周期，保证操作规范可行性。工业机器人进行拖拉机变速箱的自动化加工分5步进行，依次是：确定待加工零件方位、抓取待加工零件、取料、放料、旋转加工。
图2、图3是工业机器人对待加工零件和变速箱配料的操作示意图，工业机器人收到传动控制平台的上料指示，抓取相应的待加工零件和配料，下料后进行旋转加工。当传感器采集数据提示配料不足时，上料指示灯亮起，再次进行取料和放料操作，一个拖拉机变速箱加工完成后，放行仪器开启。
1.3 工业机器人动作控制
工业机器人的型号很多，经过多方对比，采用ER50?C20型号的工业机器人进行拖拉机变速箱生产自动化改造。ER50?C20由我国自主研发，额定载荷高于50 kg，机器人操作臂的最大能动距离为2.2 m，手臂长为1 m，操作界面友好、编程简易、维修简单，能够完全接受传动控制平台的管控，与控制仪器兼容性良好。ER50?C20工业机器人的操作臂拥有6个自由度，能够进行零件搬移、配料抓取、切割、雕刻、水磨等操作，运动控制误差低于0.1 mm，最大旋转角度为±480°。
由于工业机器人进行拖拉机变速箱加工时采用的是笛卡尔坐标系，但自由度旋转却是以世界坐标系为基准的，所以在控制工业机器人加工动作时需要先描述笛卡尔坐标系与世界坐标系的换算关系。
设任意点[P]位于笛卡尔坐标系[A]中，[P]点坐标向量为[Ap=[px，py，pz]]。设点[B]是工业机器人的目标移动点，[B]是世界坐标系，[B]点在世界坐标系的坐标向量为[Bb=[xB，yB，zB]]，坐标系[A]，[B]的换算关系见图4。
由图4可知，[P]点在笛卡尔坐标系的x轴延长线正好经过[B]点所处世界坐标系的原点，则ER50?C20工业机器人从[P]点移动到[B]点所经历的动作控制过程可用一个齐次变换矩阵表示，如下：
2 实验分析
生产负荷是生产项目一个特定周期内产品总产量与预计产量的比值，可以用来评估生产企业的生产能力和盈利情况。在使用ER50?C20工业机器人进行拖拉机变速箱生产线自动化改造前，我国江苏某工业加工企业生产的拖拉机变速箱有3种型号，其生产负荷如表1所示（表中数据为该企业2015年全年统计量）。
经过ER50?C20工业机器人改造拖拉机变速箱生产线自动化水平之后，使用改造方案进行6个月的试运行实验。实验结束后，试运行期间的用工成本降低至去年同期的[23]，产品加工精度不断增高，产品质量得到了大幅度提升。假设改造后每个月的产量相等，将试运行期间产量换算至全年产量，计算生产负荷，如表2所示。改造后拖拉机变速箱的单件平均加工时间有所缩短，年产量由原来的每种类型4 500台上升至8 000台，生产负荷得到显著提升，证明了ER50?C20工业机器人在拖拉机变速箱生产线自动化改造应用中的可行性。
3 结 论
本文探讨了工业机器人在拖拉机变速箱生产线自动化改造中的應用，并进行了实验证明。得出本文给出的改造方案不但能提高加工企业自动化水平，增益企业生产能力和利润，也对未来工业企业发展贡献了强有力的资源。
参考文献
[1] 赵克转，徐泽宇.一种新型工业机器人六维力传感器设计研究[J].传感器与微系统，2015，34（5）：5?7.
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[9] 李煜卉，彭勇刚.工业机器人通用图形化编程软件的研究[J].机电工程，2016，33（4）：502?506.
