近年来，随着国内汽车业蓬勃发展，作为汽车心脏的发动机产量也逐年攀升，20～40万年产能的大批量生产线层出不穷，生产节拍越来越短，相应地对生产物流自动化水平提出了更高的要求。

大批量生产的发动机生产线，其生产线内部工序间的输送普遍已采用龙门式机械手和机动输送辊道等自动化输送设备，正常工作状态下基本可实现无人值守，大大提高了生产效率，同时减少了对工件、夹具的磕碰。 但是在生产线始末端上、下工件，以及不同生产线之间工件转运，仍然大量依靠人工辅以起吊设备、叉车、液压托盘车等运输设备，占用大量人工，效率低，工件易磕碰，成品不易保护，还造成地面通道运输繁忙。随着现代物流输送技术的不断进步，以机器人视觉搬运系统为核心的自动化输送系统可以完全解决上述问题且已经开始了在国内发动机工厂的应用。

 图1   上料区、下料区示意图 发动机生产制造对搬运系统的功能需求 完全解决发动机生产制造中的工件转运问题，首先需明确发动机生产制造系统对机器人视觉搬运系统（以下简称搬运系统）的功能需求。搬运系统主要实现对码放在生产线端头托盘上的汽车发动机工件（以下简称工件）毛坯上线和成品下线的位置偏移测量及自动搬运功能；并自动把工件通过空中 EMS（ELECTRIC MONORAIL SYSTEM电动单轨系统）传送到装配生产线对应的工序位置。对多品种生产的发动机制造系统，搬运系统还需具备产品种类识别功能，以保证搬运当前所需要的产品，并且保证搬运过程的精确无误。

搬运系统的组成 整个搬运系统按功能区划分为三个部分：机器人上料区、机器人下料区、空中 EMS输送系统。

1. 机器人上料区、下料区 机器人上料区、下料区功能类似，针对毛坯上线和成品下线两项工作要求，分别由机器人系统、视觉系统、控制系统、抓具系统、工件辊道传送线、安全系统、操作台、工件托盘及其它周边设备组成（见图 1）。

2. 机器人系统 采用高性能 6轴搬运机器人（见图2），机器人采用了肘节式结构铝合金机器人本体，高速运动曲线动态模型优化，加速性能比其他普通机器人高出25%，有利于提高系统寿命、优化工作节拍。机器人控制柜采用WINDOWS操作界面，中英文多种语言菜单，标准的工业计算机具备硬盘、光驱、软驱、打印接口、I/O信号和多种总线接口，可进行远程诊断，具有示教、编程、存储、检测、安全保护、绝对位置检测记忆和软PLC功能。系统平均无故障间隔（MTBF）时间长达7万h。

图 2  

搬运机器人 机器人系统具有合理的机械结构和紧凑化设计， 6个自由度AC伺服马达，绝对位置编码器，所有轴都带有抱闸。特定的负载和运动惯量的设计，使得速度和运动特性达到最优化。臂部的附加负载对额定负载没有运动限制，本体和控制器之间电缆长7m, 并可根据需要进行扩展。机器人系统可370旋转范围，工作效率更高，其模块化的机械结构设计，使任何部分都可迅速更换，可调机械手臂，使机器人系统具有更大的活动空间和柔韧性。

（1）视觉系统 视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，利用图像处理软件对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制机器人等设备的动作。 其中本搬运系统采用的视觉系统由：采用红色环形光源、高性能镜头、 100万像素相机和分析处理系统等硬件构成。其中处理软件主要完成包括图像的增强、分割、特征抽取以及图像识别处理等，从而实现对物体的识别功能。Adept公司开发的hexsight，因其操作简单、功能强大、精度高、速度快、识别能力强，抗环境干扰能力强而得到广泛应用。它采用的通信方式：RS232/RS485, 以太网（可选），可以输出X / Y坐标及旋转角度的数值。

（2）托盘结构 托盘为型钢结构，留有叉车口，方便叉车的搬运；托盘之间可以相互定位，叠垒起来方便准确。每个托盘上工件均按单层码放，托盘层叠摆放后称为一垛。轴类工件的托盘上加装 “v”字型结构成品工件的“v”型架表面采用硬质耐磨塑料以保护成品表面。

图 3  工件的抓具

（3）抓具系统 工件的抓具（见图 3）主要由支撑框架、夹持气缸、引导销、辅助压紧装置及工具端卡盘等部件组成，工件的抓具具体动作顺序（以抓取发动机缸体为例）：视觉系统测量出工件的位置误差，给出机器人动作补偿量，工件抓具在机器人的带动下，抓具上的定位销柱可以准确地对准工件上的缸孔；然后夹子末端伸入工件后张开，末端倒钩接触到工件内壁上表面，协同辅助压紧装置，实现工件的稳定抓取。 托盘的抓具（见图 4）主要由支撑框架、动作气缸、辅助压紧装置及工具端卡盘等部件组成，托盘的抓具在箱体搬运时放置在托盘抓具的支架上，具体动作顺序：当托盘上工件搬运完事后，机器人移到托盘抓具上方，通过6轴端的快速工具卡盘自动把箱体抓具放置在支架上，托盘抓具自动安装到机器人6轴快速工具卡盘，抓具上的4个抓手在气缸的带动下，抓手伸到托盘的底部协同辅助压紧装置实现工件的稳定抓取。

图 4  

托盘的抓具

（4）辊道传送线 辊道采用单元结构形式，每一个单元都可独立使用，也可多个单元联接使用，安装组合方便。其中每个单元本身具有驱动装置，定位装置，物料检测传感器，滚筒转动呈主动状态，这样就可以严格控制物品运行状态，按规定的速度精确、平稳、可靠地输送物品，能适应各种生产工艺过程，并能较好地衔接和配套。

1) 传送辊道分为两种形式：空托盘传送线和托盘带工件传送线，采用变频电机提供动力，全链式带动的钢制辊轮。

2) 每段辊道线上都装有光电传感器，随时检测线体上有无工件，并且在固定位置安装通行开关和阻挡器，保证工件输送顺畅避免碰撞。

3) 输送辊道由变频器控制交流电机，输送速度为 0～18m/min内可调。

（5）安全系统 安全性是机器人工作站的一项重要指标，具体安全防护措施如下：

1) 机器人工作站周围应设有安全围栏和安全门，并设有安全锁，防止系统运转时人员非法进入。工作站外围应设有系统运转状态指示灯，用于系统监控。

2) 安全房设有门，旁边有触摸屏，以便在需要时，操作人员可以人工控制。

3) 应对系统的危害因素进行辨识，并在适当位置加上醒目的警示牌，如： “机器人搬运时请勿入内”。

4) 叉车搬运托盘的入口处，设置了安全光幕，防止任何误闯物料和人员，确保设备的安全运行。

5) 其他不经常搬运的出入口，设置了带滚轮的对开门，门上有安全开关锁。

6) 必要时还可在相应位置铺设安全地毯，实现更严密的安全防护。

3. 空中EMS输送系统 空中 EMS输送系统（见图5）由升降机、EMS（空中自行小车）、轨道、安全防护和辅助接送辊道组成，功能是实现成品工件从下料区辊道跨越车间物流通道移载到装配线的指定位置。

图 5 

空中EMS输送系统 空中 EMS输送系统的关键部件包括：

（ 1）滑触供电系统：滑触线采用 “U”型6级，进口优质滑导供电系统。阻燃滑电导轨较其他类型滑电导轨，具有结构简单、强度高、刚性好和导电率高等特点，特别是独特的供电接头联接形式，充分保证了供电的可靠性，全阻燃的护套及集电器确保了滑导系统的安全性。

（ 2）空中自行小车：载物车额定载荷400kg。具有噪音小、运行可靠、平稳，维护方便等特点。其电机减速机采用“SEW”减速机，而且主动轮与减速机之间配有离合装置，带有“排障离合”功能。其行走轮采用工程塑料，减小了其与轨道的冲击及噪音，提高了轨道的使用寿命。   
（3）轨道：分为直轨道和弯轨道两部分，此轨道采用高强度铝合金，系模具挤压成型，具有重量轻、强度高、直线性好和耐腐蚀。弯轨特殊制作，有多种半径和长度组合。

工作流程

1. 上料区工作流程

（ 1） 盛有发动机工件的托盘先人工利用叉车放置在辊道上，由辊道输送到机器人工作区域。

（ 2） 当检测传感器检测到托盘到位后，传送线暂停输送。

（ 3） 机器人搬运上料。

1）位置传感器自动感知最上层托盘，并把相应的高度通知上料机器人；

2）机器人移动到最上层托盘上方；

3）通过视觉系统对托盘上需搬运的工件空间位置进行视觉定位；

4）系统计算位置偏移，进行数据处理，并告之机器人需移动的补偿量；

5）机器人抓取工件放置到机加工传送线上；

6）重复动作。

（ 4） 当一层托盘上的工件取光后，机器人使用快换机构将抓取机构更换为托盘抓具，将托盘取走。

（ 5） 重复动作（3），直到当传感器检测到没有托盘后，输送辊道动作。

2. 下料区工作流程 （ 1） 加工后的工件进入下料位置，检测传感器把工件到位信号传给搬运机器人。

（ 2） (正常生产流程)机器人搬运下料。 1)机器人移动到需搬运工件上方； 2)通过视觉系统对工件的空间位置进行视觉定位； 3)系统计算位置偏移，进行数据处理，并告之机器人需移动的补偿量； 4)机器人抓取工件放置到当前托盘的指定位置；

5)重复动作

（ 1），直到人工停止或不正常生产流程转到（3）。

（ 3） （不正常生产流程）机器人下料 1)机器人先把托盘放置在事先规定的传送辊道上；

2)机器人移动到当需搬运工件上方，通过视觉系统对缸体的空间位置进行视觉定位；

3)系统计算位置偏移，进行数据处理，并告之机器人需移动的补偿量；

4)机器人抓取工件放置到当前托盘的指定位置；

5)重复动作（ 1）。

（ 4） 当一层托盘上的工件放满后，机器人使用快换机构将抓取机构更换为托盘抓具，将隔板放到已经装满缸体上。

（ 5） 重复动作（3），直到指定高度时，传送带动作。

3. 机器人搬运系统控制流程（见图6） 据生产线的构成、布局和功能划分，机器人搬运系统采用德国 西门子PLC对整体系统进行控制。其中控制系统由PLC、通信模块、状态指示灯、连锁与安全防护装置等构成，根据机加控制系统提供的工件加工状态信号对各输送机、视觉系统和机器人搬运系统进行协调和控制，完成汽车发动机缸体工件的自动上料，进行机加和自动下料的自动化流水线生产。 其中视觉系统的控制流程：机器人发可控制指令给视觉系统，视觉系统开始工作，相机采集工件图像，经工控机上的视觉处理软件提取工件定位坐标偏移，工控机返回坐标偏移给机器人系统，机器人根据坐标偏移计算补偿，进行抓取。 另外，系统的启动、停止以及暂停、急停等运转方式均通过操作台进行。系统运行状态及系统报警可在操作台指示灯或触摸屏上显示也同时由系统运转状态高置显示灯显示。

图 6   机器人搬运系统控制流程

结束语 对于新建的大批量生产模式下的发动机工厂，机器人视觉搬运系统仅占全厂工艺设备投资的 2％左右，但其对工厂自动化水平的提升及生产面貌的改观作用却是巨大的。北京现代发动机工厂、华泰汽车鄂尔多斯发动机工厂和北京福田康明斯发动机公司等近几年新建的发动机工厂均采用了类似的物流搬运系统。