机械手作为近代自动控制领域中的一项新技术，已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手的迅速发展源于它的积极作用日益为人们所认识：首先，它能部分地代替人工操作，大大改善工人的劳动条件；其次，它能按照生产工艺要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传输和装配，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。为了满足曲轴加工线的大批量生产，并实现在规定生产节拍内，准确地完成设备机床的上下料，我公司引进了德国某公司生产的上下料输送装置机械手。通过对此上下料机械手系统的验收，并结合其在正式生产运行的PMC统计数据，我们从理论上对机械手与设备上、下料之间的逻辑关系进行分析，并做了大量相关试验，下面就机械手的逻辑应用以及出现的问题进行讨论。

机械手逻辑现状及存在的问题

我公司运用机械手对OP70多砂轮磨床和OP80双砂轮磨床进行上下料，在OP70与OP80之间用Buffer 2来进行缓冲，以缓冲可能由于OP70磨床磨削主轴颈过快及OP80磨削连杆颈过慢导致的过多曲轴，其布局如图1所示。采用机械手进行上下料，原本可以大大提高生产效率，进而满足最初设计的生产纲领需求。在不考虑其他任何停机因素的情况下，该工位每个班（7.5h）理论可完成562件。

图1  OP70、OP80磨床与Buffer布局

然而，我们在正式投产后发现，机械手并没有达到最初的设计要求。现在OP70的单台加工循环时间为68s，机械手上料时间为12s，合计80s；工位合计循环时间为40s；该工位每加工10件零件需要花80s来对砂轮进行一次修整，图2为机械手的逻辑时间。在实际运行时发现，机械手在机床和缓冲Buffer 2上出现了一些问题：当OP70磨床当中有一台机床需要修整一次砂轮，线上的Buffer 2中有零件，Buffer 2上面的shift unit上没有零件，本来机械手应该从Buffer 2缓冲区上取料到shift unit上，以满足下道工序OP80机床的加工。但是机械手并没有进行这步动作，而是回到OP70机床前面的shift unit去取料，并停留在OP70机床上方等待机床修整完砂轮，给机床送完料后，再到Buffer 2缓冲区当中取料给Buffer 2上的shift unit，然后OP80上的机械手从shift unit上拿料到OP80磨床加工，这样会造成后工序缺了一件料，影响生产线速。按照每天3班，251个工作日来算，一个班会少生产56件，每年至少减少生产56×3×251=42 168根曲轴。机械手在机床上方的等待问题会对我们的产能造成很大的损失。

图2  改善前机械手逻辑时间

问题分析

针对机械手在OP70上面等待而不去执行清空Buffer 2操作的问题，我们对机械手的逻辑关系进行了比较细致的分析和对比。驱使机械手产生动作的信号从哪里来？有多少个这样的信号？这些信号遵循怎样的逻辑关系？通过对机械手控制程序的分析和研究，我们发现发给机械手的信号有三种：A——机床完成加工或提出零件加工需求的上下料信号；B——从抽屉里上料给机床，需要机械手过来抓取的信号；C——Buffer提出清空Buffer缓冲区的要求信号。

根据以上三种发给机械手的信号源的逻辑顺序（见图3），我们发现机械手的这三种信号存在一定的优先级顺序：A类信号优先、B类信号其次、C类信号最后才满足。当三种信号同时出现时，即机床上下料的需求信号、抽屉上料的信号和清空Buffer同时出现时，机械手优先执行机床上下料的需求信号和抽屉上料信号的命令。因此，机械手在自动情况下需要清空缓冲区Buffer的条件有以下几点：

图3  三种发给机械手的信号源的逻辑顺序

1. Buffer有料；

2. shift out无料且在接料位置；

3. 用于送料的Z2机械爪手必须是空手；

4. 在以上条件都满足的情况下，机械手还需要一条额外的条件，即在20s内没有A类信号和B类信号的出现，机械手才能到Buffer里面取料给OP80加工。

此外，我们对机械手和机床的信号传输也进行了分析，发现有另外一种情况也会造成机械手没有去执行C类信号的操作，就是OP70磨床在快要磨削完曲轴的时候，机床会提前44s给机械手发信号，要求其给机床上下料，这样在OP70单台工作的情况下机械手只有24s的空余时间。这也是造成机械手不能曲轴清空Buffer的一个原因。

综合以上对机械手与机床的原理分析，当该工序只有1台机床加工时，机械手要花44s等待机床加工完成，之后还要再花18s给机床换料，并把合格零件送到下工序，机械手总保持着62s的执行命令状态，而只有6s来执行清空Buffer命令。可见，OP70机床修砂轮时，机械手无法执行清空Buffer功能。造成此现象的主要原因有两个：

1. 机床发给机械手执行上下料的信号太早，占用了机械手的工作时间；

2. 满足清空Buffer条件20s才启动清空程序的时间太长。

改造思路及建议

以上问题反映出机械手逻辑上的不合理，我们对影响机械手清空Buffer的两点主要原因提出了改进思路和解决措施：

1. 针对机床发给机械手执行上下料的信号太早的问题，我们认为OP70发出A类信号给机械手的时间安排不合理。OP70机床提前44s给机械手信号，造成机械手在OP70机床上方等待上料，等待时间最长达到51s，这段时间机械手本来可以完成C类信号的命令。我们调整了机械手的执行时间，更改机械手逻辑，接收到机床发出的上下料需求信号后延时26s后才执行。

2. 针对满足清空Buffer条件20s才启动清空程序的时间太长的问题，我们对机械手的逻辑时间进行了调整。机械手在没有接收到OP70发出的A类信号以及抽屉给它的B类信号时，需要等待20s之后再去执行C类信号。这样会造成即使Buffer有料，机械手也不会去执行清空Buffer缓冲的程序。因此，我们把清空Buffer的条件时间由原来的20s改为5s。

改进后的验证

我们对上述所做的更改进行了工位实际加工验证：只用1台机床进行加工，另外1台不加工以模仿机床的修砂轮，Buffer上有曲轴零件，当机械手送完料到OP70机床，机械手会在5s后到Buffer上取零件给后续的OP80机床进行加工。当两台同时加工时，机械手不会去清空Buffer。经过1周的生产观察，生产运行效果改善明显，生产效率大大提高（见图4），图5为我公司发动机工厂生产现场。

图4  改善后的机械手逻辑时间

图5  发动机工厂生产现场

结论

机械手虽然能代替人工操作，大大改善工人的劳动条件，将操作工人从繁重、单调的工作环境中解放出来，提高劳动生产效率。但是相对人的思维逻辑，如果机械手的逻辑时间设计不合理，也会造成生产延误与浪费。要找到最优的生产时间，需要经过生产实践的验证和摸索，对生产中影响到生产效率的几个瓶颈工位进行分析，并制定可行性方案，从而实现曲轴线生产的产能最大化。