高技术通讯2015年第25卷第8-9期：815—821
doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2015．08-09．009
应用工业机器人的劳动密集型企业典型生产线的设计①
卢振利②一一“ 孙凯翔‘ 葛晨斌+ 许仙珍’ 单长考‘ 刘叔军+ 李斌”
(+常熟理工学院电气与自动化工程学院 常熟215500)
(”中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室 沈阳110014)
(…阿威罗大学，电子和信息通信工程研究所 阿威罗3810·193，葡萄牙)
摘要提出了应用工业机器人技术升级原有自动化生产线的理念，选取电子原件装配
行业为研究对象，剖析了劳动力在自动化生产线中的作用，在此基础上为劳动密集企业设
计了以工业机器人为主体的装配、检测、分拣、码垛自动化生产线。该生产线通过机器人
手眼系统完成典型的装配作业，能够降低劳动力成本和提高产品质量的一致性。该项研
究可为长三角地区劳动密集型产业的升级——“工业机器人代替人”提供技术储备。
关键词生产线，工业机器人，装配作业，劳动密集型
0 引言 1 生产线典型人工动作凝练
目前我国机器人密度相对而言还很低，2011年 以长三角地区某漏电保护插座生产企业为例进
仅为每万人21台，而世界平均为每万人55台¨引。 行了研究。该企业成立于20世纪90年代，其产品
从长三角地区产业现状来看，工业机器人在喷涂和 型号不多，但需求量大，经过多次改进，产品质量稳
焊接行业得到了广泛应用，而在电子行业、服装加工 定，核心电路芯片的制作和最后产品装配过程已经
和汽车等行业，劳动密集型的中小企业云集陋]，劳 形成了自动化生产线。每个工位人工完成元器件的
动力成本上升，产品质量难以得到保证，引入机器人 装配、检测及专用设备的焊接等，如图l所示。
代替人工，通过机器人实现自动化生产线，是企业生 该类企业的生产任务主要是将采购的原材料和
存和发展的必由之路。本研究针对中小劳动密集型 散件组装加工成与热水器等家电产品配套的部件。
企业的自动化生产线进行了典型人工动作凝练，应 企业的采购成本透明，利润空间大，在确保产品质量
用国产工业机器人、工业摄像机、可编程逻辑控制器 的前提下，如果企业能够率先完成生产线的升级改
(PLC)、工控机、传输线、检测装置、原料库、装配台、 造，就能异军突起。将机器人引入该行业，完成装
成品库和移动导轨设计了先进机器人生产线，并通 配、检测、运输、分拣和码垛，可以将该类自动化生产
过轴承和轴承套装配作业试验证明，该系统可在传 线的人工由机器人完成，解决用工成本大和产品质
统自动化生产线升级和机器人代替人工操作中发挥 量不一致的问题。
作用。
①国家科技支撑计划(2014bakl2b01)，机器入学国家重点实验室开放基金(2014—008)，校新引进教师科研启动项目(XZl306)和葡萄牙
科技部基金CIENCIA2007资助项目。
②男，1974年生，博士，硕士生导师；研究方向：机器人智能控制；联系人，E-mail：zhenlilu@cslg．cn
(收稿13期：20154)5—18)
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万方数据卢振利等：应用工业机器人的劳动密集型企业典型生产线的设计
4 手眼系统
通过将大恒DH—SVxl GC系列CCD数字摄像机
安装在机器人手臂末端构成手眼系统一J，如图5所
示。摄像机获取目标物的影像，通过以太网络传输
(a)Turbo PMACClipper控制卡
到处理器终端。视觉处理软件分析视野范围内出现
的目标数量、目标空间位置以及目标姿态等信息。
其中图像的处理包括图像传输、图像采集、图像灰度
值的计算等部分。在采集模式下，摄像机根据外部
环境的光线变化，可以在一定范围内自动调节相机
的曝光时间和增益值，以最大限度地达到期望的亮
(b)ACC一1P扩展轴} 度。此外，根据需要，可以设置图像中的感兴趣的区
图3运动控制器 域，一旦区域设置完成，摄像机将根据设定值调整图
像，使区域内图像亮度达到期望值。
机器人行走导轨导轨架的底座由方钢管焊接而
成，如图4所示。行走部分由步进电机驱动，通过梅
花联轴器连接，将动力传至直线滑到丝杠，最后由连
接在其上的机器人连接板带动机器人本体的左右行
走；在光轴两端的正下方安装行程开关的档片，检测
机器人行走的左右极限位置，保证机器人的运动精
度及安全。
图5手眼系统
5 生产线其他单元
(a)行走导轨架 生产线其他单元包括皮带输送机、原料仓库、成
品仓库、装配平台、分拣仓库、材质检测装置等设备，
如图6所示。
原料仓库采用2层8格16仓位，由铝合金型材
搭建。成品仓库采用2层4格8仓位，由铝合金型
材搭建。每仓位内均安装有仓位传感器用以检测工
件的有无。每仓位内均安装有仓位传感器用以检测
(b)步进电机
工件的有无。
图4行走基座
装配平台安装在铝型材桌上，用于装配工件。
废品库用于机器人自动放置被检测出来的无用工件
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万方数据高技术通讯2015年8-9月第25卷第8-9期
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Turbo PMAC Clipper控制器与PLC进行输入、
输出点的交换、互相通讯、资源共享，共同控制工业
机器人的运行状态。PLC控制工业机器人行走步进
电机的工作状态，分拣运输带中的步进电机工作、接
收检测传感器的信号、工业机器人相关动作及整个
系统的启动、停止等操作。在整个控制系统运行过
程中，PLC在实时地发生作用。系统上电后，PLC便
开启并执行初始化程序，手动移动工业机器人、手动
控制传输带由PLC手动部分控制；由PLC程序及机
器人控制程序控制得到相应动作，机器人去取轴、机
器人去取轴套、机器人装配完成、工业机器人到达控
制传输带移动的位置PLC控制其步进电机运转、机
(c)输送、检测单元 (d)检测传感器
器人放料完成等操作。
图6其它单元
工业机器人手眼系统通过PLC、I／O、串口通讯
分别与机器人控制柜、工控机视觉系统连接组成一
或不合格品。本系统采用两种颜色的轴类和轴套类
个完整的控制系统。
工件，两类工件可以通过机器人将同颜色工件装配
成一体成为成品放入成品库中。光电对射传感器
7 机器人自动装配作业
安装于皮带输送机两端，用于检测工件的有无。材
质检测装置主要由材料检测传感器(欧姆龙E2B-
用户使用示教盒(如图7所示)进行编程与控
M18KNl6一WZ—C12M[1叫)、支架组成，材料检测传感
制。