0 引言
从长三角地区产业现状来看，焊接和喷涂行业应用工业机器人较多，而在电子装配、服装加工等行业，由于属于劳动密集型产业，企业用工成本逐年上升，工人队伍不稳，产品质量得不到保证，引入机器人来代替人，通过多台机器人协作分工完成不同的生产任务，实现基于多机器人的自动化生产流水线，是中小企业生存和发展的必由之路。
本文以长三角地区某电子设备生产企业为例进行分析，该企业产品类型不多，但需求量大，经过多次改进，产品质量进一步提升，有一定的市场份额，产品的制作和装配等环节已经形成了自动生产线，每个生产环节要求工人多，不能保证产品的一致性，如将工业机器人引入该企业，完成焊接、装配、分拣、码垛等生产环节的控制要求，可以将自动化生产线中的人工由工业机器人来完成，能够解决用工成本大和产品质量不一致的问题，同时还能提高企业的生产效率[1]。通过对劳动密集型行业进行典型人工动作凝练，应用工业机器人、PLC、传输线、工业摄像机、装配台等设计多机器人的生产物流系统，在长三角地区，类似的中小型企业有很多，该系统的设计对该行业的转型升级以及机器人代替人工操作等方面具有实际应用价值。
1 系统需求分析
通过对上述企业的实际调研以及查阅相关的技术资料、机器人技术应用相关文献，对基于多机器人的生产物流系统的控制需求分析如下：
①该生产线中人工操作部分（主要是流水线重复操作）可由四台不同功能的机器人来协作完成，通过在机器人的法兰面安装不同的工具（如：焊钳、气动手指、真空吸盘等）可实现不同功能（如：焊接、装配、分拣、码垛）的机器人。
②各机器人工作单元工作时，需要联网运行，它们之间有数据的交互联系。
③为了方便生产线各工作单元的检修与调试，要求控制系统可以选择单机/联机工作方式。选择单机运行时，各单元可独立运行，站与站之间没有数据交互，选择联机运行时，各工作单元之间有数据交互，且程序设计上要考虑各机器人的相互协作。
④设计管理层的人机交互界面，可单独控制各机器人工作单元，也可联网控制各机器人工作单元，能够将各机器人工作单元的关键信息反馈至人机交互界面。
⑤考虑到设备安全生产的实际需要，要求各机器人工作单元有必要的电气安全防护措施。
⑥硬件系统结构紧凑，并具有一定的可扩展性。
2 生产物流工艺流程设计
生产物流的工艺流程设计指从原材料到加工成品的全过程。设计原则是以最合理、最有效的方式对生产过程中所有设备进行合理的布局，使生产物流系统运行管理、运行成本、安全等各种指标达到最优，保证人流、物流、信息流畅通无阻。根据电子设备厂的生产实际情况和现有的装备条件，采用U形传送带的基本流动模式，U形布置适用于多品种小批量的生产，工件从毛坏到成品的工艺过程一目了然，多机器人生产物流系统的工艺流程如图1所示。
此生产物流系统有4个工作单元，分别是焊接工作单元、装配工作单元、分拣工作单元及码垛工作单元，其中焊接、分拣、码垛工作单元的功能主要由单个机器人来完成，装配工作单元的功能由两个机器人来完成。整个机器人生产物流系统既有多机器人在时间上协同，也有多机器人在运动上的协同。各工作单元的描述如下：
图1 基于多机器人生产物流系统工艺流程
2.1 焊接工作单元
焊接被赋予了工业“裁缝”的称号，在工业实际生产中，焊接起着举足轻重的作用，它是产品加工过程中非常重要的环节。与人工焊接相比，机器人由于运行轨迹平稳，速度均匀可控，因此机器人焊接时非常稳定，焊点的质量有保证，几乎不受人为因素的影响，能够保证焊接质量均一性。
由于机器人焊接是由机器人程序进行控制的，因此可以通过修改机器人的控制程序来满足不同工件的生产需要，减少了设备的研发时间，缩短了产品更新换代的周期，提高了企业的生产效率[1]。焊接工作单元主要包括机器人和焊接设备两大部分。机器人由本体和控制柜组成，而焊接设备主要由焊接电源、送丝机、焊枪等组成。
2.2 装配工作单元
装配工作单元的任务是两台机器人协调拧螺丝，一台机器人抓持螺母，另一台机器人抓持螺栓，需要两台机器人协调运动，从而达到拧紧螺丝的目的。装配工作单元的两台机器人相当于人的两只手，比单台机器人具有更好的灵活性，可以完成比较复杂的动作。要完成此任务，可采用两种方式来完成：一种是一台机器人抓持螺栓不动，另一台机器人抓持螺母旋转并平移直至拧紧；另一种是一台机器人抓持螺栓平移，另一台机器人只做旋转操作。
2.3 分拣工作单元
目前传统的机器人分拣方式大多数采用示教方式，对机器人示教点的位姿以及工件的摆放位置都有严格的要求，因此这种传统的机器人分拣系统，一旦工件发生变化时，机器人并不能识别，会导致机器人抓取工件失败，从而影响整个生产过程，降低生产效率。于是，人们将机器视觉技术与机器人相结合，使机器人拥有了“眼睛”，基于机器视觉的机器人分拣系统不但效率高、分拣精确，而且适应范围广、随时能变换作业对象和变换分拣工序的优势[2]。本次设计的机器人分拣工作单元加入了机器视觉系统，主要对传输带上的工件进行筛选，将不合格产品搬运至废品库。
该分拣工作单元主要由机器人、工业相机、传送带、真空吸盘等组成，其组成如图2所示。其工作流程如下：加工件在传输带上运动至工业相机下方时，工业相机拍照后将图片传至机器人控制系统，判别为不合格产品后，机器人定位工件并启动真空吸盘抓取工件，然后搬运至废品库，机器人回到原位，进入下一个循环。
图2 机器人分拣工作单元组成
2.4 码垛工作单元
采用人工码垛物料，劳动量大，工时多，无法保证码垛质量，影响产品顺利进入货仓，由于码垛尺寸误差过大导致不能正常存储的事情时有发生，用机器人码垛能够适应制造业规模化生产的需要，解决单调、重复的体力劳动和提高生产效率[3]。机器人码垛生产线通过机器人的法兰面安装不同的夹具能适应形状多样（如纸箱、袋装、瓶装等）的成品码垛作业。机器人码垛工作单元的组成如图3所示，主要有托盘输送系统、码垛位规整设备、工业机器人和整垛输送线。
图3 机器人码垛工作单元组成
3 系统整体方案设计
根据电子设备厂的生产实际情况和现有的装备条件，结合生产物流系统的工艺流程，为了使控制过程清晰明了，方便各工作单元机器人的协作与协同配合，提高生产物流系统的整体效率，控制系统将由两部分组成，一部分是生产管理级，主要是面向生产管理人员的控制系统，管理人员可以通过上位机对下级系统进行命令的传达、现场各种参数的监控、现场报警事故的查阅、现场各工作单元机器人的运行状态及各种历史记录的查询等[4]。另一部分是现场控制级，主要直接控制现场的各种设备，包括输入/输出设备（模拟量和数字量）、传感器和变频器、控制信号和数据的传递等。
本设计以一台PLC作为主控制器，分别连接各工作单元的多台工业机器人，PLC与工业机器人之间、触摸屏与PLC之间均采用工业以太网进行通讯连接。PLC的主要任务是对生产物流系统中各工作单元的机器人进行调度与任务的分配。变频器、传感器、气缸等输入输出部件通过PROFINET与工业机器人连接，生产物流系统整体设计框图如图4所示。
图4 生产物流系统整体设计
4 结语
工业机器人具有工作效率高、重复精度好、运行稳定可靠、能够保证产品的一致性等诸多优点，特别是能够在危险环境非常高的状态下能够可靠作业。企业采用工业机器人来代替人的一些重复劳动，对企业来说，不仅可以提高产品的质量、降低废品率和生产成本、减少企业的用工人数，而且可以提升企业制造装备的利用率，提高企业的生产效率和产品更新换代的能力，从而为企业营造一个更加安全可靠的生存环境。
参考文献：
[1]董云菊.焊接机器人技术的应用研究与发展[J].山东工业技术，2015（7）：47.
[2]栗俊艳，米月琴.一种基于机器人视觉的工业机器人分拣系统[J].电子科技，2016（29）：105-107.
[3]卢振利，孙凯翔.应用工业机器人的劳动密集型企业典型生产线的设计[J].高技术通讯，2015（25）：815-821.
[4]卢泽旭.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用研究[J].机电信息，2012（12）：49-51.
