《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 第3章 自动化系统组件 3.1 搬运设备

本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第3章，第3.1节，作者［英］ 麦克·威尔逊（Mike Wilson），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

第3章

自动化系统组件

摘要

除了机器人以外，自动化系统还包括其他组件，以实现完整的解决方案。本章主要介绍最常用的一些技术，包括搬运和喂料系统、视觉、抓手和工具转换器以及工装和夹具等。本章也讨论机器人应用所需要的工艺设备，着重介绍焊接、喷漆、调配和材料去除等应用，还讨论了装配自动化。最后介绍系统控制所需要的基本要求，包括网络、人机界面，以及自动化系统的基本安全与防护原则。

关键词：

振动喂料机，机器视觉，机器人管线包，变位机，抓手，工具转换器，夹具，装配自动化，PLC，网络，安全
每套自动化系统都为满足应用的特定需求而配置。我们将在第4章中看到，在几乎所有的制造业里，都有许多不同类型的自动化系统来满足各种工业应用需求。显然，食品工厂对自动化的需求与电子行业有很大不同。因此，为了满足特定应用的需求，需要将许多不同的自动化组件正确地组装起来。不同应用场合的自动化组件也相差甚多，例如，用来拾取柔软的水果的抓手与用来拾取热锻件的抓手定有天壤之别。
由于自动化组件的范围广泛，规范和功能种类繁多，所以我们无法对它们一一做详尽的评估。尽管如此，我们还是会对最主要的组件及其最重要的特征进行综述。这样做的目的是概括自动化系统最常见的组件和在使用它们时值得注意的重要问题。
本章包含如下内容：
●搬运设备
●视觉系统
●工艺设备
●抓手和工具转换器
●工装和夹具
●装配自动化组件
●系统控制
●安全与防护
如何将这些组件与机器人整合成一个完成的自动化系统，即自动化系统的开发，将在第4章和第5章进行深入讨论。

3.1 搬运设备

无论对哪一个生产设备，为了提高生产效率，我们都需要将加工的原材料高效地运送到不同的工位上，这一点至关重要。而所有搬运原材料的操作都只有一个目的，就是在不损坏材料的前提下，40在正确的时机将正确数量的正确工件运送到正确的地方。而拙劣的设计或者不合适的材料搬运系统都会导致流程过于繁琐、杂乱的存放、低劣的库存控制、过多的搬运、物品损伤，甚至边角料过多和机器空转等后果。好的搬运系统并不会使产品增值，但劣质的搬运一定会提高成本。所以，为了尽可能地降低成本，材料搬运自然是效率越高越好。
在生产中，我们要用到许多类型的设备，例如拖板车、叉车、桥式起重机和输送机等，来完成工件的移动。这些设备在这里就不展开讨论了。本节的目的是概述那些能够直接影响自动化系统设计和操作的搬运系统。在任何一个自动化系统中，如果搬运系统出了问题，喂料和移走成品就无法正确运行，从而严重影响系统整体的工作性能。因此，为了确保预期的性能不受工件输入/输出的制约，在设计自动化解决方案时，我们必须考虑搬运系统。有了自动化，并不意味着就能解决材料搬运问题。相反，因为自动化常常没有达到预期性能，所以暴露出了材料搬运问题。

3.1.1 输送机

输送机系统可以用于多个自动化系统之间或单个自动化系统内部的物品搬运。举个例子，从包装线到机器人码垛系统的纸箱供给或者在装配系统内的工件传输。输送机可以按照事先预定的路线在两点之间完成物品传送。输送机可以铺在地上，也可以离地面一定高度或者安装在天花板上。具体选用何种方式，需要考虑所传输的物品、可用的空间和其他设备以及操作所需要的通道等。输送机尤其适用于大容量物品的运输，并且在特定的操作之间可以提供暂时的存储空间或缓冲区。
输送机的运动一般来说要么是连续式的，要么是间歇式的。连续式输送机一直向前运动，工艺过程可以在输送机上完成或者产品需要在某一工位被移走。而间歇式输送机常常用在装配41工位上：输送机停止运转，等待某一操作完成，输送机再继续运行。然而，间歇式输送机的局限性是，只有等到最费时间的操作完成后，输送机才可以继续向前。自动化系统一般包含少量的输送机。例如，为了完成从码垛系统中将满的托盘自动移出，或者用许多不同类型和速度的输送机来保证在整个系统中的物品和产品的流通。在大多数情况下，输送方案是由系统内的其他操作来决定的。例如，连续式输送机对于喷漆操作十分有效。因为连续式输送机可以保证每一个产品都进入烤箱，重复地完成高效的烘烤周期。
输送机的类型有很多，包括带式、链式和滚筒输送机。带式输送机尤其适用于重量轻的单一物品的输送，比如食品。它们还更加适用于需要十分注重清洁度的行业，比如食品行业。但美中不足的是，它们只能完成直线运动。用链式输送机传送的物品，可以直接放在链条上，也可以利用链条上固定好的支架。这类输送机适用于较重物品的运输和慢速设备，比如托盘的输送和喷漆房里挂具的传送。滚筒输送机则尤其适用于体积和重量都居中的物品，例如纸板箱，通常用来向码垛或存储系统运输包装好的物品。

3.1.2 离散输送车

自动引导车（AGV）具有输送机的部分优点，并且灵活性更好，能够减少对工厂地面的占用。然而，它们的生产能力不能和输送机相提并论，也无法提供物品的缓冲并且造价高。AGV是在地面上自动引导的高效无人驾驶车。它能够感知和追踪埋线来完成自动引导。
由整体控制系统选择不同的路径和交叉点，使AGV从不同的路径操作运输物品变得可行。AGV通常和其他设备，如叉车和工人等，在同一区域内工作，这使得它们需要恰当的安全系统。然而，AGV的运动速度相对较慢，而且对运输物品的体积和重量等方面也有限制。由于它们依靠埋在地下的电线来自动引导，所以如果要对AGV系统进行改装或扩展，价格将42十分昂贵。自引导车也可以依靠安装在墙上的目标点和激光扫描仪或者内部GPS系统来定位。这类自引导车的约束条件更少，维修改也更简单，因此有更好的长期灵活性。

3.1.3 工件喂料设备

在所有的自动化系统中，都需要把一个个单独的工件输送到系统中。最有效的途径就是手动装载工件到夹具上（见3.5节）。例如，将金属板材装载到机器人焊接系统的夹具中。另外，输送工件可能通过输送系统从之前的操作台上传递过来。对于某些应用，尤其是装配，需要非常频繁地将大量的单独组件输送到自动化系统中。
被输送的组件可以是需要装配的工件，也可以是连接件，如螺钉和铆钉。这些喂料系统必须十分可靠，因为它的性能完全决定了自动化系统的效率。喂料系统不仅要为后续工位提供位置准确的组件，还需要保证工件的方向符合要求。有许多技术可以满足这些要求，如弹夹式喂料机，但它们都需要在装载到喂料机之前进行预处理，包装组件并提供方向。然而，大部分组件在输送时是散落在盒子或箱子里。没有进行预处理的组件成本较低，但是自动化系统需要一台可以接受散装、方向随机的工件的机器，它可以将它们分类，然后以预定的方向输送到正确的位置。为此，最常用的设备就是振动喂料机，它完成自动化装配系统近80%的喂料任务。
工件的设计对喂料设备有重大的影响，进而决定喂料系统的成本。如果工件是几何对称的，这将使得所需的分类工作最小化。如果工件的某些特征是不对称的，且不对称结构非常突出，那么会有利于喂料设备设计选型。例如，重心就可以用于工件的分类。如果工件上有一个43开口的钩子，那么工件很可能会纠结在一起；如果工件上的钩子是封闭的，那么再想纠结在一起就困难了。设计工件时要考虑自动化系统将以何种方式输送和处理，这是非常重要的。
振动喂料机
振动喂料机（如图3-1所示）由一个通过电磁铁产生振动的碗状结构组成。在碗内，一条螺旋轨道从碗的中心一直上升到顶部。振动导致碗内的部件沿着螺旋轨道上升，并从碗的出口送出。在轨道的最高点有一个用来分类这些组件的选择器，它包括压力开关、雨刮叶片和槽等机械特征，保证只有正确方向的部件会从碗的出口送出，而其余方向不正确的组件就会落回碗里重新循环。

振动喂料机既简单又相当可靠。到目前为止，它们是最常用的喂料系统，能够将随机工件分类。工件实际上是倒进碗里的，可以处理从小型到中型的各种工件。碗的初始设计非常关键，既能正确操作又能正确分类。螺旋线的梯度要正好能够保证部件沿着轨迹上升，而选择器的设计须满足所需的分类操作。振动喂料机的设计基于组件的固有特性（如几何形状和重心）。设计很大程度上源自经验，与其说是科学成果，不如说是一件艺术品。振动喂料机的两个主要局限是：它们不能处理与其他工件接触而损坏的工件；像弹簧一样纠结在一起的工件。
线性喂料机
线性喂料机与振动喂料机在工作方式上的相同之处是，它也依靠振动来完成运动；然而不同之处是，它的喂料方向是一条直线而不是碗内的螺旋线。这类喂料机经常与振动喂料机连接，将工件从碗的出口输送到自动化系统指定的位置。除此之外，线性喂料机还可以给振动喂料机无法完成的大型部件或精密工件喂料。然而，线性喂料机并不能完成任何分类操作，因此工件一般在进入线性喂料机之前需要通过另一个装置来正确地调整方向。另外，智能拣选系统可能通过视觉系统（详见3.2节）来判断工件的位置和方向以便从喂料机中拾取工件。
气吹式喂料机
简而言之，工件可以说是从管子里吹出来的，管子能够快速运送工件但仅限于小型工件。管道的使用也为工件通过较复杂的、多变的路径提供了可能。例如，将工件移动到多轴设备（如机器人）的末端。这种技术通常用于输送螺钉或铆钉等到应用设备，应用设备可能安装在多轴机器上，并使之定位到被输送工件所要求的位置。
子弹带式喂料机
工件固定在子弹夹或带上，然后将它装载到自动化机器上。这项技术被广泛应用在电子工业中，用来给印刷电路板装配机输送组件。子弹带需要预先制作，但是组件常常是由自动化系统生产的，它相当便捷地将组件放置于子弹带上。
存储式喂料机
存储式喂料机需要将工件预先包装，要么在托盘中，要么在分配器中。托盘适合于那些可能会被其他喂料技术损坏的工件或者不易调整方向的工件。托盘可以开模铸造，所以成本低廉。常常可用这些托盘实现加工流程之间的物料输送，托盘一般在托板上堆积起来，便于工件的保护和运输。把工件从托盘卸载到自动化系统，需要特定形式的搬运设备，这些设备可能是机器人或简单的机械臂。在自动化系统中，机器人或机械臂从托盘中逐个拾取或按组拾取工件，并把工件放置到所需要的位置。
分配器常用于包装系统。这些可以给为包装系统生产箱子或塑料托盘的开箱机提供标识卡，然后将这些箱子或托盘装满产品。这种方式可能用于食品的塑料包装。分配器常常是一个简单的设备，抓取一摞工件，使用真空吸盘拾取工件。这些工件常常放置在喂料输送机上，输送到自动包装系统中。