一种人机协作生产设备及生产方法

1.本发明涉及智能生产线技术领域，具体地涉及一种人机协作生产设备及生产方法。


背景技术：

2.目前国内装配生产线一般包括两种，一种是纯人工产线，其工人工作强度高、产品良率较低、产能不足、安全性难以保障；另一种是智能生产线，智能生产线基本实现自动化生产，对人工的依赖程度极低，生产效率高，但是其调整能力差、换型时间较长，仅适用于少品种大批量的装配生产，同时智能生产线投资规模大、投资回报期长。
3.随着国内制造业的高速发展，中小型生产企业占比逐渐提高，为适应市场需求以及提高市场竞争力，企业提出了“能够生产多品种的产品，并做到快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求。面对这一生产要求，无论是生产效率低的纯人工产线还是调整能力差、换型时间较长得智能生产线均不能适应。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服生产效率低的纯人工产线和调整能力差、换型时间较长得智能生产线均不能满足“能够生产多品种的产品，并做到快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求的问题，提供一种人机协作生产设备及生产方法，能够适应多品种小批量的生产模式。
5.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种人机协作生产设备，所述人机协作生产设备包括plc控制的协作机器人以及依次设置的物料架、自动检测机、码垛平台和包装箱平台，其中，所述物料架和所述自动检测机均设置于工作台上，所述码垛平台用于码垛已装产品的包装箱，所述包装箱平台用于堆垛未装产品的空箱，所述协作机器人用于向空包装箱内放入合格产品并将已装产品的包装箱码垛于所述码垛平台上。
6.进一步的，所述物料架、所述自动检测机、所述码垛平台和所述包装箱平台呈l形布置，其中，所述码垛平台设置于直角位置，所述协作机器人设置于直角内侧。
7.进一步的，所述包装箱平台为agv智能搬运小车，其能够接收所述plc的指令。
8.进一步的，所述协作机器人搭载有与所述plc通信连接的视觉识别系统。
9.进一步的，所述工作台的一侧安装有与所述plc通信连接的hmi屏。
10.进一步的，所述工作台上靠近所述码垛平台的一侧设置有机械手夹具快换装置。
11.进一步的，所述工作台上靠近所述码垛平台的一侧还设置有待返工品存放盒。
12.进一步的，所述工作台设置为可升降工作台，并且所述可升降工作台的下端安装有脚轮。
13.进一步的，所述协作机器人安装于机器人底座上端。
14.本发明另一方面提供一种人机协作生产方法，使用上述的人机协作生产设备，包括以下步骤：
15.s1、工作人员从所述物料架上拿取物料配件，并将各物料配件按要求组装出目标产品；
16.s2、检查产品各模块组装是否正确，若无问题，则将产品放入所述自动检测机的检测位置上，启动设备开关，所述自动检测机中的光电传感器向所述plc发送信号，所述plc向所述协作机器人发送准备工作的信号；若有问题，则做好标记并放入所述待返工品存放盒；
17.s3、自动检测完成时，所述plc向机器人发送允许下件信号，若此时所述自动检测机的安全光栅无人触发，则所述协作机器人移动机械手臂对产品进行抓取，而后机械手臂点位移动至所述包装箱平台上方将产品放入空的包装箱；
18.s4、产品放入包装箱后，所述协作机器人移动机械臂将包装箱夹起，点位移动将包装箱放置在所述码垛平台上，重复上述动作，对包装箱进行码垛；
19.s5、当所述包装箱平台上的包装箱清空时，更换一个新的包装箱平台，当所述码垛平台上码垛有目标数量的包装箱时，更换新的码垛平台，在更换码垛平台和/或包装箱平台时，所述协作机器人暂停工作。
20.本发明的有益效果在于：该人机协作生产设备一部分依靠人工，一部分依靠协作机器人，对产品的装配、检测、包装和码垛工序进行了合理划分，打破了人与机器的界限。由工人完成动作复杂但劳动强度不高的装配工作，并将产品放入自动检测机；由协作机器人完成动作单一但是强度相对较大的装箱和码垛工作，实现人员和机器人在应对不同的工作要求时做到功能互补，还解决了传统工业机器人投资规模大、投资回报期长等问题。相较于纯人工生产线，劳动强度大大降低，产能得到大幅提升，良品率提高；而且在更改产品时只需要修改程序即可，对协作机器人的最终执行元件变动较小，可以实现生产线的快速换型，适用于“多品种小批量生产”，达到“快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求。
附图说明
21.图1是人机协作生产设备中各组件位置关系的示意图；
22.图2是人机协作生产设备中物料架的一种实施方式的结构示意图；
23.图3是人机协作生产设备中协作机器人的结构示意图；
24.图4是人机协作生产设备中工作台的一种实施方式的结构示意图；
25.图5是人机协作生产设备中机器人底座的一种实施方式的结构示意图；
26.图6、图7和图8是三种不同的机械臂夹爪的结构示意图；
27.图9是人机协作生产方法的一种实施方式的流程图；
28.图10是协作机器人的一种装箱程序控制图；
29.图11是协作机器人的一种码垛程序控制图。
30.附图标记说明
31.1-协作机器人，2-物料架，3-自动检测机，4-码垛平台，5-包装箱平台，6-工作台，7-hmi屏，8-机械手夹具快换装置，9-待返工品存放盒，10-机器人底座，11-框架，12-层板，13-物料盒，14-挡杆，15-台板，16-竖杆，17-升降杆，18-夹板。
具体实施方式
32.以下结合附图1～11对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处
所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
33.在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、顶、底、远、近、侧”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
34.本发明一方面提供一种人机协作生产设备，人机协作生产设备包括plc控制的协作机器人1以及依次设置的物料架2、自动检测机3、码垛平台4和包装箱平台5，其中，物料架2和自动检测机3均设置于工作台6上，码垛平台4用于码垛已装产品的包装箱，包装箱平台5用于堆垛未装产品的空箱，协作机器人1用于向空包装箱内放入合格产品并将已装产品的包装箱码垛于码垛平台4上。
35.本生产线流程主要通过工作人员和协作机器人1协调配合完成，对产品进行装配、包装和码垛。主要分为人的工作区域、设备的工作区域和机器人的工作区域，人的工作区域为工作台6和一名工作人员组成，主要负责对产品进行装配、擦拭和放入自动测试机；设备的工作区域为自动检测机3工作，功能是对装配好的产品进行产品质量自动检测；机器人工作区域主要分为，包装箱平台5、码垛平台4和协作机器人1，主要功能是协作机器人1对产品的抓取，放入包装箱中，然后将包装箱进行码垛，完成对产品的码垛。具体过程如下：
36.生产线初始化：生产线启动，工作人员坐在工作区域的椅子上，协作机器人1处于待机状态，夹爪处于打开状态，自动检测机3处于准备状态。工作人员的工作区域设置位置以物料架2和自动检测机3的中间为佳。物料架2和自动检测机3中间留有空间供工作人员进行装配工作，从物料架2上将产品的各组件取出，而后在工作台6上进行拼装，拼装完成后用湿巾擦拭产品表面，并目测检查产品各模块组装是否正确，若有问题，则做好标记单独存放。若无问题，则将产品放入自动检测机3的检测位上，并启动自动检测机3的开关。
37.检测完成后，自动检测机3向plc发出信号，通过plc控制协作机器人1将完成检测的产品夹起放入包装箱平台5上的空包装箱内，而后协作机器人1再将已放入产品的包装箱夹起堆垛在码垛平台4上。每个包装箱平台5可以放置多层空包装箱，每层又可放置有多个空包装箱，例如设置5层、每层又设置2排2列，即2
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5的形式堆放，协作机器人1可在将一层空包装箱全部装入产品后，再将该层包装箱连续夹起堆垛在码垛平台4上，包装箱在码垛平台4上的堆垛形式可与包装箱保持一致。当包装箱平台5上的空包装箱全部装入产品并由协作机器人1搬运堆垛至码垛平台4上后，plc控制协作机器人1回归初始位置并暂停工作，可由人工将旧包装箱平台5和旧码垛平台4推走，再更换新的包装箱平台5和码垛平台4后，继续工作。
38.相邻层的包装箱可通过料盘隔开，在码垛包装箱时，将包装箱放入料盘的空余位置，可以理解的是，在码垛完一层包装箱后，将包装箱平台5上的料盘夹取放置在码垛平台4上即可。
39.需要说明的是，协作机器人1的控制程序以程序框图的形式呈现，操作流程编程化；将协作机器人1的图形化编程用程序框图进行了编写，并将程序进行了模块化编辑。对以后生产线的需求更改程序更加方便，并且将生产线程序进行了规划，如需更改产品，只需将对应的程序修改即可。
40.该人机协作生产设备一部分依靠人工，一部分依靠协作机器人1，对产品的装配、检测、包装和码垛工序进行了合理划分，打破了人与机器的界限。由工人完成动作复杂但劳
动强度不高的装配工作，并将产品放入自动检测机3；由协作机器人1完成动作单一但是强度相对较大的装箱和码垛工作，实现人员和机器人在应对不同的工作要求时做到功能互补，还解决了传统工业机器人投资规模大、投资回报期长等问题。相较于纯人工生产线，劳动强度大大降低，产能得到大幅提升，良品率提高；而且在更改产品时只需要修改程序即可，对协作机器人1的最终执行元件变动较小，可以实现生产线的快速换型，适用于“多品种小批量生产”，达到“快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求。
41.作为本发明的一种实施方式，物料架2包括两个竖直且平行设置的四边形的框架11，两个框架11之间固定连接有层板12，以便在层板12上放置物料盒13，层板12可平行设置有多个，每个层板12上又可设置有多个物料盒13。层板12最好是朝向工作人员倾斜设置，物料盒13放置在层板12上会向工作人员倾斜一定角度，以便于拿取物料，为了防止物料盒13从倾斜的层板12上掉落，应当在其倾斜的一侧设置挡杆14，挡杆14的两端分别固定连接在两个框架11上。可以明白的是，上述的物料架2的结构可对称设置两个。
42.作为本发明的一种实施方式，物料架2、自动检测机3、码垛平台4和包装箱平台5呈l形布置，其中，码垛平台4设置于直角位置，协作机器人1设置于直角内侧。工作人员可左手从物料架2拿取物料，而后在面前的工作台6上进行装配，装配完成后，右手将产品放入自动检测机3，协作机器人1位于工作人员右侧，且自动检测机3、码垛平台4和包装箱平台5环绕于协作机器人1的一侧，其四者大致呈矩形分布，各占一角，使得协作机器人1可以在最短的行程内完成装箱和堆垛工作。
43.作为本发明的一种实施方式，包装箱平台5为agv智能搬运小车，其能够接收plc的指令。在包装箱平台5上的包装箱清空时，可通过plc发送信号，指示agv智能搬运小车运输包装箱，搬运工作是沿着固定轨迹移动，动作简单且重复，相比于人工，采用agv智能搬运小车运输包装箱更加恰当。
44.作为本发明的一种实施方式，协作机器人1搭载有与plc通信连接的视觉识别系统，在协作机器人1将产品夹起装箱时，当协作机器人1的机械臂移动至目标包装箱上方时，可以对该包装箱进行识别判断包装箱内是否有物体，以避免向同一个包装箱内重复装入产品。若是产品在自动检测机3内的位置、包装箱平台5的位置、包装箱平台5上堆垛的空包装箱位置始终固定，误差微小，控制程序的参数正确，可不设置视觉识别系统；视觉识别系统的目的主要是为了准确的抓取目标物品以及准确的将目标物品放置于目标位置。
45.作为本发明的一种实施方式，工作台6的一侧安装有与plc通信连接的hmi屏7，hmi屏7即人机交互界面，通过hmi屏7可修改协作机器人1程序，也可向plc发出信号，使得与plc通信连接的协作机器人1、agv小车等执行相应指令。
46.作为本发明的一种实施方式，工作台6上靠近码垛平台4的一侧设置有机械手夹具快换装置8，在需要夹取不同产品或者在夹取产品与包装箱之间切换时，为了提高机械臂夹持的稳定性，可以在夹取相应物品前，机械臂可通过机械手夹具快换装置8快速更换夹具，提高效率。
47.作为本发明的一种实施方式，工作台6上靠近码垛平台4的一侧还设置有待返工品存放盒9，装配完成且目测不合格的产品可做上标记放入待返工品存放盒9集中存放，避免误将不良品混入合格品中。
48.作为本发明的一种实施方式，工作台6设置为可升降工作台，具体可通过将工作台
6的支撑腿设置为液压杆形式、丝杆与螺纹筒配合的形式或夹具固定的形式。工作台6包括底部的正方体或长方体框架和上部的台板15，台板的四角固定连接有与框架的竖杆16平行的升降杆17，该升降杆17通过夹具与框架上对应的竖杆16固定连接。夹具可设置为由螺栓固定的两片夹板18。
49.工作前，工作人员可根据自己的身高将工作台6调节至合适高度，以达到较为舒服的工作体态；可升降工作台的下端安装有脚轮，脚轮上设置有刹片，踩下后可使得工作台6轮子固定。
50.作为本发明的一种实施方式，协作机器人1安装于机器人底座10上端，底座也可设置为高度可调节的形式，可避免地面的水渍等污染腐蚀协作机器人1。
51.本发明另一方面提供一种人机协作生产方法，使用上述的人机协作生产设备，包括以下步骤：
52.s1、工作人员从物料架2上拿取物料配件，并将各物料配件按要求组装出目标产品；
53.s2、用湿巾擦拭产品表面，目测检查产品各模块组装是否正确，若无问题，则将产品放入自动检测机3的检测位置上，启动设备开关，自动检测机3中的光电传感器向plc发送信号，plc向协作机器人1发送准备工作的信号；若有问题，则做好标记并放入待返工品存放盒9。
54.s3、自动检测完成时，plc向机器人发送允许下件信号，若自动检测机3的安全光栅处于触发状态，则协作机器人1暂停抓取产品，以保障工作人员的安全，安全光栅可设置为遮断式光电传感器。
55.若此时自动检测机3的安全光栅无人触发，则协作机器人1移动机械手臂对产品进行抓取，而后机械手臂点位移动至包装箱平台5上方，通过协作机器人1的视觉识别系统对图像进行对比处理，判断包装箱内是否有物体，若无物体，则plc发送允许下件信号，将产品放入包装箱内。若有物体，则协作机器人1的机械臂上升，对其他包装箱进行识别判断，将产品放入空的包装箱内。
56.s4、产品放入包装箱后，协作机器人1移动机械臂将包装箱夹起，点位移动将包装箱放置在码垛平台4上，重复上述动作，对包装箱进行码垛。若每个包装箱平台5放置多层空包装箱，每层又放置有多个空包装箱，例如设置5层、每层又设置2排2列，即2
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5的形式堆放，协作机器人1可在将一层空包装箱全部装入产品后，再更换机械臂的夹具将该层包装箱连续夹起堆垛在码垛平台4上，减少夹具更换次数，提高效率。也可不更换夹具，使用通用夹具，根据产品和包装箱的尺寸以及夹具的夹持位置，在协作机器人1的工作程序上输入对应的参数即可。相邻层的包装箱可通过料盘隔开，在码垛包装箱时，将包装箱放入料盘的空余位置，可以理解的是，在码垛完一层包装箱后，将包装箱平台5上的料盘夹取放置在码垛平台4上即可。
57.s5、当包装箱平台5上的包装箱清空时，更换一个新的包装箱平台5，判断包装箱平台5是否清空，可由工作人员目测，而后通过hmi屏7向plc发送信号，plc向agv智能搬运小车发出指令，最后agv智能搬运小车执行指令搬运包装箱；也可由协作机器人1的视觉识别系统判断包装箱有无剩余，若无，则由视觉识别系统向plc传递信号，plc向agv智能搬运小车发出指令，最后agv智能搬运小车执行指令搬运包装箱。
58.当码垛平台4上码垛有目标数量的包装箱时，更换新的码垛平台4，若是包装箱在包装箱平台5和码垛平台4上的堆垛形式相同，则包装箱平台5清空时，码垛平台4堆满，hmi屏7发出码垛完成信号，由生产线外物流人员将产品运输出去。在更换码垛平台4和/或包装箱平台5时，协作机器人1暂停工作。
59.该方法对产品的装配、检测、包装和码垛工序进行了合理划分，打破了人与机器的界限。由工人完成动作复杂但劳动强度不高的装配工作，并将产品放入自动检测机3；由协作机器人1完成动作单一但是强度相对较大的装箱和码垛工作，实现人员和机器人在应对不同的工作要求时做到功能互补，还解决了传统工业机器人投资规模大、投资回报期长等问题。相较于纯人工生产线，劳动强度大大降低，产能得到大幅提升，良品率提高；而且在更改产品时只需要修改程序即可，对协作机器人1的最终执行元件变动较小，可以实现生产线的快速换型，适用于“多品种小批量生产”，达到“快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求。
60.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，例为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种人机协作生产设备，其特征在于，所述人机协作生产设备包括plc控制的协作机器人(1)以及依次设置的物料架(2)、自动检测机(3)、码垛平台(4)和包装箱平台(5)，其中，所述物料架(2)和所述自动检测机(3)均设置于工作台(6)上，所述码垛平台(4)用于码垛已装产品的包装箱，所述包装箱平台(5)用于堆垛未装产品的空箱，所述协作机器人(1)用于向空包装箱内放入合格产品并将已装产品的包装箱码垛于所述码垛平台(4)上。2.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述工作台(6)设置为可升降工作台，可升降工作台包括底部的正方体或长方体框架和上部的台板(15)，台板(15)的四角固定连接有与框架的竖杆(16)平行的升降杆(17)，该升降杆(17)通过夹具与框架上对应的竖杆(16)固定连接。3.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，物料架(2)包括两个竖直且平行设置的四边形的框架(11)，两个所述框架(11)之间固定连接有层板(12)，所述层板(12)平行设置有多个，每个所述层板(12)上设置有多个物料盒(13)，所述层板(12)朝向工作人员倾斜设置，所述层板(12)倾斜的一侧设置挡杆(14)，挡杆(14)的两端分别固定连接在两个框架(11)上。4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述物料架(2)、所述自动检测机(3)、所述码垛平台(4)和所述包装箱平台(5)呈l形布置，其中，所述码垛平台(4)设置于直角位置，所述协作机器人(1)设置于直角内侧。5.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述包装箱平台(5)为agv智能搬运小车，其能够接收所述plc的指令。6.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述协作机器人(1)搭载有与所述plc通信连接的视觉识别系统。7.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述工作台(6)上靠近所述码垛平台(4)的一侧设置有机械手夹具快换装置(8)。8.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述工作台(6)上靠近所述码垛平台(4)的一侧还设置有待返工品存放盒(9)。9.根据权利要求1所述的人机协作生产设备，其特征在于，所述工作台(6)的一侧安装有与所述plc通信连接的hmi屏(7)。10.一种人机协作生产方法，其特征在于，使用权利要求1-9中的任意一项所述的人机协作生产设备，包括以下步骤：s1、工作人员从所述物料架(2)上拿取物料配件，并将各物料配件按要求组装出目标产品；s2、检查产品各模块组装是否正确，若无问题，则将产品放入所述自动检测机(3)的检测位置上，启动设备开关，所述自动检测机(3)中的光电传感器向所述plc发送信号，所述plc向所述协作机器人(1)发送准备工作的信号；若有问题，则做好标记并放入所述待返工品存放盒(9)；s3、自动检测完成时，所述plc向所述协作机器人(1)发送允许下件信号，若此时所述自动检测机(3)的安全光栅无人触发，则所述协作机器人(1)移动机械手臂对产品进行抓取，而后机械手臂点位移动至所述包装箱平台(5)上方将产品放入空的包装箱；s4、产品放入包装箱后，所述协作机器人(1)移动机械臂将包装箱夹起，点位移动将包
装箱放置在所述码垛平台(4)上，重复上述动作，对包装箱进行码垛；s5、当所述包装箱平台(5)上的包装箱清空时，更换一个新的包装箱平台(5)，当所述码垛平台(4)上码垛有目标数量的包装箱时，更换新的码垛平台(4)，在更换码垛平台(4)和/或包装箱平台(5)时，所述协作机器人(1)暂停工作。

技术总结
本发明涉及智能生产线技术领域，公开了一种人机协作生产设备及生产方法，人机协作生产设备包括协作机器人以及依次设置的物料架、自动检测机、码垛平台和包装箱平台，码垛平台用于码垛已装产品的包装箱，包装箱平台用于堆垛未装产品的空箱，协作机器人用于向空包装箱内放入合格产品并将已装产品的包装箱码垛于码垛平台上。由工人完成动作复杂但劳动强度不高的装配工作，由协作机器人完成动作单一但是强度相对较大的装箱和码垛工作，劳动强度大大降低，而且在更改产品时只需要修改程序即可，对协作机器人的最终执行元件变动较小，适用于“多品种小批量生产”，达到“快速迭代、少批量快速交付/灵活交付”的生产要求。的生产要求。的生产要求。


技术研发人员：徐影
受保护的技术使用者：安徽信息工程学院
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/12