在机器人材料处理应用中减少循环时间和提高吞吐量

介绍
在材料处理应用中使用机器人的优点包括速度、有效载荷能力和持续的生产力。在不安装额外的机器人单元的情况下，增加产量通常是必要的，以跟上生产需求。这里介绍的技术将使您能够从给定的面积和资本投资中获得更高的生产力。通过在设计阶段和安装后使用以下实际单元布局、硬件和软件考虑，可以实现更短的周期时间。

系统布局
系统的布局将对整个周期时间产生重大影响。在设计单元之前，必须解决其中的一些问题，而其他的问题可以在现有系统上实现。

机器人和输送机、机床、托盘架等周边设备的位置应按操作顺序进行。最小化机器人从一个程序步骤到下一个程序步骤的距离，特别是在需要最慢的机器人轴进行大量移动的移动时。例如，六轴垂直铰接式机器人的第一个轴或基轴通常是最慢的轴。如果机器人的方向是这样的一个基轴的270度旋转需要拿起一个零件并把它放在托盘上，转动机器人180度。现在机器人只需要在这个运动中将它的第一个轴旋转90度。在需要很多直线运动的机器人应用中，尽量避免在机器人到达的极限或多个腕部轴相互对齐时引起的奇点附近操作。

探索机器人的替代安装方向，如墙壁或天花板安装。由于这种机器人类型的种类越来越多，在其下方运行着传送带的架子式机器人已经变得流行起来。如果可以使用机器人仿真包，可以尝试机器人及其外围设备的各种位置，以找到周期时间最短的最佳选项。

仔细观察零件流入和脱离工作单元。在多个机器人系统中，如果装配托盘进入并在单个输送机刺激上进入机器人工作单元，则时间将会丢失止动托盘进出。更好的解决方案是使用通过工作单元使用传送带，使得托盘仅在一个方向上流动。完成托盘后，它被释放，下一个托盘将在其后面进入工作单元。这为托盘提供了更好的流量控制，并提供了一种最小化机器人的等待时间的缓冲区。

编程/软件技术
作为第一步，回顾整个程序流程。如果机器人系统已经运行了一段时间，程序可能已经被修改过多次。移除任何不再需要的动议或程序步骤。在六轴铰接式机器人应用中，尽量减小腕部轴的大旋转，特别是6轴。很多时候，手腕关节(轴4到轴6)会因为程序中添加了中间点而进行较大的旋转。此外，末端执行器电缆和软管路由的考虑可能需要进行大的旋转，以允许电缆从一个移动到下一个移动。重新编程这些位置，使旋转最小化，可以大大改善循环时间。

正确使用机器人内置的软件功能是最小化循环时间的有效方法。不同品牌的机器人控制器对这些参数的处理是不同的。其中一些编程技术可以写入应用程序代码，并设置为优化给定的运动。这是大多数参数的首选方法。其他是全局参数，影响机器人的所有运动，不能在程序执行期间修改。

路径精度设置控制了机器人在点之间遵循给定路径(通常是一条直线)的严格程度。设置时间或位置水平设置决定了机器人必须在执行程序的下一步之前到达编程点的距离。将路径精度和设定时间参数设置得尽可能宽松(即粗/连续而不是细)。对于关键动作，如拾取部件、放下部件、触发输出信号或等待输入信号，请使用严格的设置。这保证了机器人在末端执行器关闭或打开之前处于正确的位置。在其他运动中，比如在拾取和放下之间，将参数设置为较宽松的设置或使用连续路径设置，这样机器人就不会停止或减速。仔细修改这些参数，从紧到松，以确保机器人不会干扰任何固定，传送或保护。在TEACH模式和PLAY/AUTO模式中测试这些设置的效果，因为这些参数可以随着播放速度的提高而表现不同。

如果机器人控制软件允许，调整每个动作的加速和减速设置。理想情况下，这些参数应该设置在它们的最大水平，但这并不总是可行的，特别是在处理易碎的、大的或长的部件时。在这些情况下，增加加速和减速时间可以让长时间的移动达到更高的速度。所有“气切”运动，非过程相关的运动与空端执行器，应该运行在最大可能的速度和加速度。避免从一个动作到下一个动作的加速和减速的大变化，因为这可能会导致机器人急剧减速或在运动之间停止。

在直线或线性路径中，尝试将机器人保持远离奇点位置。由于机器人在靠近或通过奇点行驶时，由于轴过速条件，它通常会出现故障。通过降低这些区域中的机器人速度，可以避免这种情况，但这对吞吐量有害。更好的解决方案包括通过添加更多位置或使用关节内插的移动来包括在奇点位置进行编程，因为这些不受奇点的影响。此外，联合运动允许机器人实现比线性运动更高的速度，并且应该在可能的情况下使用。直线是两点之间的最短路径，但这并不总是导致最短的循环时间。请记住，在线性运动期间，所有机器人轴都不会以相同的速度行进，并且特定轴可能限制可实现的最大速度。

并行执行多个操作，而不是按顺序执行。一个例子是在接近运动期间打开末端执行器，而不是在接近被抓住的部件附近停止和等待。在码垛系统中，一个例子将包括在程序步骤中，在纸杯接触波纹盒之前打开吸盘的真空供应，而不是等待直到它们接触到纸杯。如果多个操作或程序步骤需要同时执行，应采用单独的PLC或内部的软PLC。

机器人的运动与传送带的同步可能允许更快的循环时间，因为这减少了启动和停止的数量的机器人和被处理的产品。如果这个软件功能与你的机器人控制器可用，它可以通过添加一个编码器来测量输送速度和适当的传感器来触发测量过程的开始来实现。

通信和网络延迟应该考虑在内，特别是如果机器人必须在每个程序周期传递信息。如果正在发送大量数据，那么每传输一块数据后的握手延迟就会增加。如果可能，发送由多个数据位组成的更大的字符串，而不是一次发送单个数据位。

硬件问题
应分析工作单元中使用的所有硬件，以增加系统吞吐量的潜力。这不仅包括结束效果，还包括输送机，馈线，擒纵机构，门，气动滑动和真空系统。

末端效应缸应使用传感器来检测位置，而不是依赖于时间延迟。使用时间延迟时，必须设置比夹具打开或关闭所需的实际时间，以保证动作已完成。

在需要末端执行器旋转的应用中，将末端执行器保持尽可能紧凑，以减少旋转惯性。末端执行器的旋转惯性较低，机器人手腕越快将能够加速和减速。安装气动阀，真空发电机，电气接线盒和其他大肿块尽可能接近旋转中心，以减少惯性或从末端执行器中取出它们，然后将它们安装在机器人手臂上。

抓握多个部件将大大提高吞吐量。在包装应用中，例如壳体包装和纸箱加载，通常每循环处理20-30个产品。机床负载/卸载应用程序使用双端效应器从主轴卸下成品部件，然后立即加载下一个未处理的部分以最大限度地利用机床的利用率。

气动系统的流量将调整气缸和阀门的执行速度。从压缩机到工作单元的主要过滤调节单元，必须正确调整空气供应组件的尺寸，以确保有足够的流量允许系统以最大设计速度运行。如果电磁阀的流量额定值不足或空气管路和配件尺寸过小，会降低抓手的执行速度。使用太多的接头和弯头会降低气动和真空系统的流量。快速排气阀可用于大容量气缸，以实现更快的执行。

真空系统设计是另一个分析的区域，以消除导致循环时间增加的限制。通过将真空发电机定位尽可能靠近真空杯，最小化需要抽空的体积。必须分析两个流量 - 空气供应到真空发电机和吸入杯的真空供应。在文丘里式真空发电机上，使用足够大的空气供应管线来提供通常需要的高流速。一些机器人的内部空气管线不够大，并将限制空气流量。在这种情况下，使用多条内线供给真空发电机或使用更大的直径外部安装管线。在软件时间延迟中再次优选使用传感器来检测吸盘处的真空水平。在用真空杯处理瓦楞纸板或其他多孔材料的应用中，需要对杯子的高真空流速。与处理诸如钢板如钢板等无孔材料时遇到的高真空液位/低真空流量要求相反。这是通过使用正确的真空发生器来解决，因为不同版本专为每个应用而设计。

使用机器人以外的替代设备来定位盒子或产品将减少机器人的要求。例如，一个案例倾卸通常用于瓶子包装系统，以定位的一个角度的情况。在高速包装应用中，当机器人放置一组产品时，使用定时螺钉或跑道等排列装置来定位多个产品。

系统组件的维护对于将性能保持在尽可能高的水平至关重要。磨损的密封和宽松的配件气缸将导致空气流动和压力损失，可以增加抓手的驱动时间。脏的气缸杆和直线轴承会导致部件粘在一起。松动的螺栓会导致滑动部件的捆绑和磨损。所有这些情况都可能导致整体循环时间随着时间的推移而增加，并可能导致有人加快机器人运动速度以弥补差额。这将给机器人的传动系统组件带来不必要的磨损。

结论
像任何持续改进的方法一样，这些技术中的每一种本身都不会对系统吞吐量产生重大的改善。每种技术可能只节省几分之一秒，因此需要实现多种技术。这些技术可能需要一些试验和错误，以达到最佳设置取决于品牌和风格的机器人和外围设备。无论如何，这种努力将通过提高您的机器人材料处理系统的吞吐量而获得回报。即使您不需要减少系统周期时间，这些技术也可以通过减少机器人、工具和外围组件的磨损来更平稳、更有效地运行系统。

斯蒂芬·柏林
技术销售专家-自动化，视觉和机器人
Remtec自动化