摘要：以塑料椅子扶手注塑加工为研究对象，针对传统注塑加工嵌件埋入及下料工作中人工操作劳动强度大、效率低、安全性差的问题，设计了基于工业机器人的椅子扶手注塑加工垫片嵌件埋入，扶手成品取放、检测及输送自动化产线。完成了产线的整体方案设计，重点开发了椅子扶手垫片取放夹具、扶手成品取放夹具以及垫片送料装置，搭建了以PLC控制为主，机器人控制为辅的控制系统，组建了触摸屏人机交互界面，并对自动化产线中常见问题进行了分析，给出了解决策略。经过实践测试，将机器人应用到椅子扶手注塑加工自动化产线中，生产效率提高了1.18倍，产品合格率提高了9.92%，人工数减少到一半，降低了劳动强度，增强了操作安全性、可靠性。
关键词：注塑加工,工业机器人,机器人夹具,真空吸盘,PLC控制
0引言
塑料椅子由于具有轻便、易于清理、价格便宜等优势，作为人们生活、工作的坐具之一，备受人们关注和喜爱。椅子塑料扶手作为塑料椅子组成中关键配件之一，有着巨大的市场需求。传统注塑加工方法是采用人工辅助来完成嵌件埋入及下料工作，人工操作容易因误放误取、用力不当而导致产生残次品，并且长期站立工作，劳动强度大、效率低、安全性差[1-3]。
与人工操作方式相比，全自动化的椅子扶手注塑加工产线解放了劳动力，推动了科技革命，促进了现代化发展，机械行业迎来了朝气蓬勃的发展[4]。随着“中国制造2025”制造业发展战略的提出，我国正在由制造大国迈向制造强国，工业机器人已经作为工业4.0中最重要的装备被广泛地应用到注塑、机械加工、汽车、橡胶、食品等行业[5]。在椅子塑料扶手注塑制造过程中，工业机器人自动化产线已经逐渐代替人工制造方式，有效提升了产品的合格率及生产效率，降低了劳动强度，确保了生产的安全性及稳定性。
以企业提出的椅子扶手注塑加工自动化产线设计为目标，本文主要研究其中的一个关键单元——椅子扶手注塑加工垫片嵌件及扶手成品自动取放单元。该单元是椅子扶手注塑加工生产线的重要组成部分，也是整个生产线的关键环节。针对企业需求，设计出一种基于工业机器人技术，以PLC控制为核心，机器人控制为辅的椅子塑料扶手注塑加工过程中垫片嵌件自动取埋、椅子扶手成品自动取放、检测及输送的自动化产线，解决了椅子塑料扶手人工注塑加工过程中存在的效率低等问题[6]。总的来说，椅子扶手注塑加工过程实现全自动化后，一方面可以减轻劳动强度，缩短劳动时间，降低产品成本，增加企业经济效益；另一方面缩短了生产节拍，产线可以24 h无故障工作，极大地提高了企业的生产效率；同时，还可以有效提高产品质量及生产安全性，推进企业数字化、智能化转型升级步伐，提升企业声誉[7]。而且本文的研究有助于促进注塑加工行业的发展，推动了注塑加工行业的智能化升级改造进程，改善人民的生活质量，实现加工制造业的高质量发展。
1方法原理
1.1生产工艺流程
某企业生产的椅子塑料扶手如图1所示。该椅子塑料扶手上设置了4个带有垫片的圆孔位1，这4个孔位中2个孔位连接椅子座面，2个孔位连接椅子靠背，椅子扶手和靠背及座面之间的连接都是通过螺纹连接实现的，垫片主要起到防止松动，扩大接触面积，降低压力，保护螺纹组件和连接部件的作用。
该产品是通过注塑机注塑成型，目前人工注塑生产工艺流程如图2所示。在整个注塑生产过程中，工作人员首先需要在注塑机开模状况下从垫片物料区内选取垫片，然后将垫片放入模具设置的相应孔位内；注塑机合模后，经过填充、保压、固化后完成整个内部注塑过程；注塑机开模后，人员将注塑好的椅子扶手取出，再通过人工观察检测方式对注塑成型的椅子扶手垫片埋入情况进行检查，将质量不合格的产品放置废料区，将质量合格的产品放置到合格区，最后人工将合格产品输送到包装出货区进行后续工序。这样的工作过程人员要紧跟整个流程，参与选料、垫片埋入、取成品、检测成品、搬运等工作，工作劳动强度大、产品合格率不高、效率低、安全性差[8]。
椅子塑料扶手注塑生产自动化产线主要是利用机器人完成椅子扶手注塑生产过程中人工参与垫片嵌件取埋、成品取出、质量检查及成品输送工作，降低人工劳动强度，提高产品质量、生产效率及操作安全性[9]。改进后的基于工业机器人的自动化生产线的注塑生产工艺流程如图3所示。
1.2生产线的总体布局
综合考虑生产工艺流程、生产节拍、场地、产线柔性等方面要求，借助计算机辅助工艺及数字孪生技术，依据“设计—工艺—制造调试”的布局思路，通过反复优化设计，整个产线布局如图4所示。基于工业机器人的椅子塑料扶手自动化产线主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成[11-13]。主要包括工业机器人、注塑机、工业机器人夹具即垫片取放夹具及成品取放夹具、垫片送料装置、传感器检测机构、成品输送带、废料箱、机器人电柜、安全防护栏、人机交互界面等[14-15]。该自动化产线的中心为工业机器人，主要完成椅子扶手垫片的抓取、搬运、模具埋入工作，以及椅子扶手成品的抓取、搬运、检测工作，把所有外围设备及装置串联成一个单元整体。为了提升整个生产线的安全性，有多个紧急停止按钮配置在产线上，在安全防护栏、注塑机操作面板、产线总控台上均有，使得操作人员或维修人员在不同位置工作时候发现故障均可以迅速操作急停按钮，提高产线工作的安全性。
1.3产线机器人动作过程
整个产线中垫片先由人工放置在垫片送料装置上，然后通过该装置将垫片振列出来进行供料，机器人将通过夹具从垫片送料装置上取出垫片，每次取1片，共取8次；待注塑机完成注塑开模后，机器人伸入模具中首先通过机器人一端的夹具取出后模上注塑成型的椅子扶手成品，再通过机器人夹具另一端将垫片埋入前模；随后机器人将取出的椅子扶手成品放置在检测机构上进行检测，检测产品中的垫片是否存在，当检测垫片不存在时，机器人则将产品放入废品箱内，当检测垫片都存在时，机器人则将产品放于输送带上；整个工作过程中，机器人一直重复以上动作。从工作原理和工作空间等方面考虑，根据负载、作业半径、工作路径及经济成本等实际情况，产线选用FANUC M-20iD/25六轴串联机器人[10]。
2机械结构设计
2.1机器人夹具
机器人夹具也就是机器人末端执行机构，是自动化生产线中最关键的结构件之一，在工业机器人的最后一个轴上进行安装固定，主要功能是抓握、定位工件或者执行操作。根据该产线的设计功能，机器人夹具包括垫片的取放夹具以及扶手成品取放夹具两种类型，整体结构设计如图5所示。机架是安装在机器人末端，垫片取放夹具与扶手成品取放夹具对称布置在机架的两侧。为了提高自动化产线工作效率，垫片取放夹具与扶手成品取放夹具均设置两对机构，机器人的一次工作可以完成两套成品扶手的注塑加工。
2.2扶手成品取放夹具
为了提高扶手成品的表面质量，该自动化产线扶手成品取放夹具主要是通过真空吸盘来实现扶手成品的取放以及搬运动作。扶手成品的外形结构决定着真空吸盘的设计位置，扶手成品从模具中顶出后，其内侧表面对着吸盘抓取面。根据图1（a）所示情况，扶手成品内侧面四周均有平整光洁并且无孔的平面结构部位，其中有两个相邻边的中部及转角部位有较宽的内凹平面，另外两个相邻边有较窄的长平面，为了保证扶手成品取放夹具抓取的稳定性、可靠性，在椅子扶手内侧面具有较宽内凹平面的相邻两边均匀设置4个相同较大规格的真空吸盘，在具有较窄的长平面的相邻两边均匀设置4个相同较小规格的真空吸盘，扶手成品取放夹具结构如图6所示。
根据图1（b）所示情况，椅子扶手外侧面环内侧中有3个部位2为凸出平面部位，在椅子扶手成品夹具设计时，除在外部均布设计8个吸盘以外，还在扶手的外侧面，环内侧相邻3边中间位置设置了由双轴双杆气缸驱动的内撑件，同时在每个内撑件上也固定设置了相应的承托件。其目的在于，刚刚注塑完成的座椅扶手较容易变形，通过设置内撑、承托组件抵接于座椅扶手的外侧面环内侧，有利于降低其收缩变形的可能性，提高使用可靠性以及良品率。同时，承托件连接于内撑件的下侧，当内撑件移动至与座椅扶手的外侧面环内侧抵接时，座椅扶手部分夹置于承托件与吸盘组件之间，在对座椅扶手的外侧面环内侧进行支撑固定的同时，对座椅扶手也起到一定的承托固定作用，与吸盘组件配合，可提高对座椅扶手进行抓取的稳定性和可靠性，便于使用。
吸取的椅子扶手的数量、质量、吸取方式决定了吸盘的数量和规格。真空吸盘的直径求取公式[16-17]如下：
式中：D为吸盘直径，mm；m为抓取物件质量，kg，测量得知，1个椅子扶手质量为0.7 kg；g为物体重力常数，g=9.8 N/kg；t为安全系数，水平大于或等于4，垂直大于或等于8，取t=8；n为吸盘数量，n=8；p为吸盘真空度，-MPa，选值一般为真空发生器最大真空度的63%~95%[18－19]，查阅真空发生器手册，计算后该产线夹具取吸盘内的真空度为-70 kPa，即-0.07 MPa。
把以上选取的数值代入式（1），经过计算得出吸盘理论直径D=9.44 N。
依据计算结果，兼顾真空吸盘抓取椅子扶手后的可靠性，在椅子扶手搬运过程中不出现搬动等现象，根据椅子扶手成品抓取面的结构状况，在椅子扶手抓取面较宽的位置选择4个亚德客品牌真空吸盘直径D大=15 mm，规格为JE1015S2的吸盘；在椅子扶手抓取面较窄的位置选择4个亚德客品牌真空吸盘直径D小=10 mm，规格为JE1010S2。
根据承托及内撑机构的工作行程以及工作性能要求，选择的双轴气缸为亚德客品牌复动型双轴气缸，规格为TN10-20-20，缸径为20 mm，行程为20 mm。经过查阅气缸手册可知，当供气气压为0.5 MPa时，该气缸压侧压力为314.2 N，拉侧压力为235.6 N，可以满足自动产线工作需求。
2.3垫片取放夹具
垫片取放夹具设计如图7所示，该夹具机构主要由放料架、连接杆、8个夹爪手指气缸、4个笔形气缸、8对夹持件、8个顶出件组成，主要完成两对椅子扶手8个垫片的取放工作。每对夹持件都和夹爪手指气缸两个手指连接在一起，通过气缸的动作实现每对夹持件的靠近或者远离，从而实现对椅子扶手垫片的夹紧或者松开；每个顶出件对应设置在两对夹持件之间，其下端连接有连接杆，连接杆下端设置笔形气缸，当笔形气缸动作的时候，可以将其输出端连接杠上对应设置的两个顶出件同时向上移动，从而可以同时顶推两个垫片脱离夹持件；同时在每个顶出件的上部均匀设置3个凸起部，减少了垫片与顶出件的接触面积，有利于避免顶出件与垫片分离时带动垫片移动偏移，从而降低垫片放入模具时候产生偏移错位的可能性，提高产品良品率，同时由于模具上会在对应垫片位置设置有磁吸部位，这样的结构设计也可以降低顶出件被磁化的可能性，便于顶出件和垫片分离，提高使用可靠性。
每个垫片质量为0.8 g，垫片的质量约为0.008 N，垫片外径为20 mm，内径为8 mm，根据垫片孔径大小以及质量，选择亚德客品牌带导轨平行型气动手指复动型手指气缸，其规格为HFZ16，缸径为16 mm。在工作压力0.5 MPa下，其闭合夹持力为34 N，张开夹持力为45 N，手抓张开的宽度为21 mm，手指闭合的宽度为15 mm，该手指气缸安装的手指部位末端有垫片抓取的卡位台阶，在夹具抓取垫片的时候，可以方便地将垫片抓取到卡位台阶面上，保证垫片抓取的可靠性。根据实际测试可知，该气缸完全满足垫片的抓取、埋入及搬运夹持需求。
根据垫片、夹持件、连接杆等附件质量及工作行程要求选择的笔形气缸为亚德客品牌PB12X10，该气缸为笔形复动型气缸，缸径为12 mm，行程为10 mm，在工作压力0.5 MPa下，其压侧压力为56.5 N，拉侧压力为74.8 N，经过实际测试该型号气缸可以满足使用要求。
2.4垫片送料机构
利用机械原理、机械设计、液压气动等技术知识，设计出主要由振动盘、顶料设备、直振轨道3部分组成垫片送料机构。通过振动盘送料装置的设计，将无序放置的垫片自动有序定向排列整齐、准确地输送到下道工序；顶料设备与直振轨道拼接在一起，由直振轨道输送垫片至顶料设备进行机器人上料，顶料设备每次顶一个垫片。如图8所示。
垫片送料机构工作流程：人工将垫片放置在振动盘料盘；顶料设备与直振轨道拼接在一起，由直振轨道输送垫片至顶料设备进行机器人上料，顶料设备每次顶一个垫片；当垫片传送到限位块被检测到时，气缸2则伸出带动限位块往左移动，限位块将与传送通道错位，阻碍下一个垫片传送到限位块内；气缸1伸出将垫片顶起，机器人在通过垫片取放夹具取出垫片。
3控制系统设计
3.1方案设计
为了控制所有设备和装置，使它们能够按照预想的动作有序运行，并具有一定的自身故障处理能力，需要有一个量身定制且便于操作的控制系统。该产线利用机电一体化技术、PLC控制技术、工业互联网技术等知识，设计出振动盘摆料供料系统、机器人取放料系统、检测分选系统。垫片供料装置和机器人夹具的主要执行动作均由气缸实现，控制气缸的电磁阀的信号则分别由PLC和机器人进行控制。输送带及检测机构的控制信号由PLC控制[20]。机器人则通过本身集成的I/O模块，通过编程实现气动夹具的控制。产线配备威伦通触摸屏，触摸屏单元配置急停开关和电源旋钮开关，屏幕用以设备调试、数据及报警信息显示。整个控制核心是PLC控制为主，机器人控制为辅。控制系统原理如图9所示。
根据控制要求，本自动化产线选用日本三菱电气所生产的FX5U-80MR/ES作为PLC主机模块，FX5-32ER/ES作为扩展模块，实现PLC对垫片上料机构、检测机构、输送机构等模块控制。
3.2气动控制系统
垫片上料装置气动控制系统，如图10所示。该系统有2个执行元件，包括垫片顶起气缸、横移错位气缸。压缩空气将经过过滤减压阀，维持恒定的气压进入气动回路，驱动执行元件。然后再通过2个两位五通电磁阀控制2个气缸。在气缸控制气路上串联速度控制阀，来控制气缸活塞的速度。
机器人垫片取放夹具气动控制系统，如图11所示。该系统有12个执行元件，包括8个垫片夹爪气缸、4个垫片顶起笔形气缸。通过12个两位五通电磁阀控制8个垫片夹爪气缸的开合以及4个笔形气缸的升降动作。在气缸控制气路上串联速度控制阀，来控制气缸活塞的速度。
机器人扶手成品取放夹具气动控制系统，如图12所示。该系统有8个执行元件，包括6个内撑双轴气缸，2个真空发生器。通过6个两位五通电磁阀控制6个内撑气缸的伸缩，通过1个两位三通阀控制两个真空发生器的启停。在气缸控制气路上串联速度控制阀，来控制气缸活塞的速度。在真空回路上，连接1个压力传感器，用来确认物料是否完全被真空吸盘所吸取。
3.3人机界面设置
为了更直观地进行生产线调试和参数设置，该产线使用威纶通触摸屏（规格为TK6070iQ）作为人机界面，使用EasyBuilderProV6软件来编写程序，操作界面由开机画面（自动监视）、尾料设置、监测数据、操作手册、报警画面、I/O监视、注塑自动等界面组成[21]。自动监视画面如图13所示。
4测试验证与分析
4.1产线性能测试对比
经过对设计开发的椅子扶手注塑加工垫片嵌件及成品取放自动化产线性能进行实践并和其他加工方式对比，得出相关数据信息如表1所示，可以看出该产线相比传统的注塑加工方式及已有的自动化加工方式具有明显的性能优势，有助于进一步推动传统注塑加工行业的自动化、智能化升级改造步伐。
4.2常见异常及处理方法
4.2.1机器人停在后模取料处无反应
异常主要原因：（1）上一次的产品没成功放下或者后膜产品松动歪了，导致机器人发生过载停机；（2）在等待撑开气缸原位信号；（3）在等待真空负压到位信号、撑开气缸撑开信号。
处理措施：（1）机器人、触摸屏、注塑机等均切换回手动，机器人动作模式切换回“世界”坐标（按“COORD”进行切换），把速度调慢点如2%左右，按住使能键和“SHIFT”键，再按“+X”，慢慢把机器人往前移动，移到中间位置即可，把歪了的扶手都取下来，然后把光标移至“！LOAD”指令行，并切换回自动模式继续运行即可；（2）检查撑开气缸是否缩回原位、原位传感器是否常亮;(3)检查是否产品歪了导致吸盘漏气达不到真空负压值，如果此时产品确认已被夹紧，可跳过该等待信号。按“FCTN”键，选择“解除等待”(有几条等待指令就需解除等待几次)，继续启动机器人即可。
4.2.2机器人停在前模放垫片处无反应
原因:机器人在等待顶出气缸推出到位信号、缩回原位信号，机器人放垫片时位置偏了，导致顶出气缸顶在模具上而推不出去了。
处理措施:可临时跳过该等待信号，按“FCTN"键，选择“解除等待”(有几条等待指令就需解除等待几次)，继续启动机器人即可。如果频繁出现该现象，就需要重新调整下放垫片的位置。如果是顶出气缸传感器问题，就需要调整传感器的位置。
4.2.3机器人取放料出来后停在注塑机门前处无反应
原因:机器人判断至少有一个吸盘没达到真空负压值，判断为取料失败而停机报警，触摸屏下面也会出现取料失败的报警。
处理措施:(1)如果确实取科失败，且后模上笛有产品，则停止机器人，再人工进去清理掉后模的产品，然后再切换回自动模式后，按一下触摸屏的“复位”键，再启动机器人运行即可:(2)如果两个产品都已成功夹取到了，只是没达到真空负压值而已，此时可直接按一下触摸屏的“复位”键，再启动机器人运行即可。
5结束语
本文以塑料椅子扶手注塑零件为研究对象，针对塑料椅子扶手注塑加工过程中垫片嵌件以及扶手成品的自动取放、搬运等工作，在研究文献资料、客户需求等基础上，根据椅子扶手注塑加工工艺流程，通过计算机辅助设计对垫片嵌件及扶手成品自动取放结构方案设计、路径规划，三维建模、有限元分析等，设计出了一套基于工业机器人的自动化注塑生产线。在分析了机器人自动工作过程的基础上，对自动产线控制系统进行了设计，同时开发了自动化产线触摸屏人机工作界面。通过构建基于工业机器人的椅子扶手注塑加工垫片嵌件及成品取放自动化产线，机器人可以代替人工完成扶手垫片的自动抓取以及注塑模内自动埋入、椅子扶手成品的自动取放及检测工作，并且可以精确地自动将合格品传送到输送带上。实践证明，该产线有效降低了劳动强度，提高了产品的合格率及加工效率，增强了设备操作的安全性和可靠性，助力注塑加工迈向自动化、高效化及智能化。
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