于喆

廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 廣東 廣州 510535

引言

傳統(tǒng)數(shù)控車床多采用人工上下料，這種工作形式現(xiàn)已逐漸被智能機(jī)械所代替，目前較多企業(yè)普遍采用機(jī)器人對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。工業(yè)機(jī)器人作為智能生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，是一種工業(yè)領(lǐng)域常用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，具備多自由度的特點，GSK—RC系列工業(yè)機(jī)器人是其中的典型產(chǎn)品，在工件搬運以及機(jī)床上下料，涂膠等方面應(yīng)用非常廣泛。下面主要以實際需求為導(dǎo)向，介紹了“機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床”及一些輔助設(shè)備的典型制造單元的工作流程和布局，并從上下料機(jī)器人工作系統(tǒng)從內(nèi)部構(gòu)成進(jìn)行分析，利用系統(tǒng)集成化的方式進(jìn)行組合，從實際需求出發(fā)進(jìn)行裝配，推動加工工藝質(zhì)量的進(jìn)步，為實際生產(chǎn)中智能制造單元的搭建，提供了理論指導(dǎo)和參考。

1 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備，已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)自動化工廠計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的自動化工具。工業(yè)機(jī)器人能夠得到快速的發(fā)展，其自身主要有以下四種顯著特點：①仿人化：依據(jù)人的肢體特點和形狀，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，此外，通過對機(jī)器人添加不同類型的傳感器，能模仿人的識別感知能力，從而，不僅從結(jié)構(gòu)上與人體相似，功能上也能達(dá)到人體活動的部分效果。②可編程：根據(jù)工作環(huán)境和對象的改變可以自適應(yīng)進(jìn)行自動化編程，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)的重要組成單元。③通用性：同類型的工業(yè)機(jī)器人可以在不同的生產(chǎn)線和工作對象使用，或者只需要更改部分結(jié)構(gòu)就能大大提高適用范圍。④良好的環(huán)境交互性：智能工業(yè)機(jī)器人在無人為干預(yù)的條件下，對工作環(huán)境有自適應(yīng)控制能力和自我規(guī)劃能力[1]。

經(jīng)過這么多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的類型和系列日益完善，其負(fù)載等級也從幾千克到一千多千克，其中最常見的通用型機(jī)器人，主要有六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和碼垛機(jī)器人。在柔性制造方面，自動上下料是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工的組合主要是根據(jù)工藝流程，通過將若干臺工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床及工裝夾具等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組線，借助PLC控制檢測和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES管控信息可視化和數(shù)據(jù)實時分析處理，實現(xiàn)由工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。

2 智能機(jī)器人與數(shù)控加工組合產(chǎn)線的設(shè)計

為提升生產(chǎn)能效，某企業(yè)引進(jìn)智能產(chǎn)線替代人工實現(xiàn)對鋁板板材自動上下料加工。本文設(shè)計的 “智能制造”生產(chǎn)線，即是以工業(yè)機(jī)器人為主體， 完全代替人工，不僅自動化程度 高，還可適應(yīng)大多數(shù)零件的加工，柔性功能強(qiáng)大。為設(shè)計出合理較好闡述“智能制造”生產(chǎn)線，本文以鋁板加工為載體，以PLC為主控制單元，綜合運用了機(jī)器人、工業(yè)以太網(wǎng)以及傳感器等技術(shù)，針對鋁板的加工過程說明生產(chǎn)線布局、工作原理、加工工藝、加工流程等，實現(xiàn)了鋁板零件加工過程中的自動上下料[2]。

2.1 加工工藝

鋁板加工是將重量小于90kg的防銹鋁板毛坯工件按照圖樣要求加工成品圖紙上標(biāo)注的所有通孔及螺孔。根據(jù)材料特點和精度要求，工件一次性裝夾到機(jī)床夾具上直至加工完成，由于鉆銑工序加工完成后工件基本是成品，故設(shè)計料倉及機(jī)器人手抓需考慮加防護(hù)，不能劃傷工件。因此，設(shè)計方案主要采用一臺機(jī)器人負(fù)責(zé)一臺數(shù)立式鉆銑床上下料；兩個料倉，一個負(fù)責(zé)上料，一個負(fù)責(zé)下料。上料倉配置的視覺系統(tǒng)可自動識別工件的上料位置，同時引入制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、PLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能制造。鋁板智能產(chǎn)線設(shè)計布局如圖1所示。

圖1 鋁板智能產(chǎn)線示意圖

該鋁板智能生產(chǎn)線由上下料以典型機(jī)器人搬運上下料領(lǐng)域為背景，同時內(nèi)部還涵蓋了控制柜，倉庫以及上料輸送線工作站等不同的結(jié)構(gòu)組成，機(jī)器人在整個系統(tǒng)中主要完成針對工件的搬運，其中數(shù)控機(jī)床在整個系統(tǒng)中主要完成針對工件的加工以及處理，機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間相互結(jié)合應(yīng)用，完成制造過程中的工藝設(shè)計、排產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能等，最終實現(xiàn)零件的加工以及入倉。

工業(yè)機(jī)器人和PMC的輸入輸出信號均通過PLC進(jìn)行邏輯處理和傳遞。PLC程序設(shè)計可編程程序控制器PLC主要是協(xié)調(diào)工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控中心（機(jī)床）之間的運行，卡盤的夾緊與松開。機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計需要滿足：一是不管是夾持式抑或是吸附式，機(jī)器人末端執(zhí)行器對應(yīng)的精度都可以滿足實際應(yīng)用的需求；二是盡可能確保機(jī)器人本身的末端執(zhí)行器在設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)簡單并且緊湊，質(zhì)量相對較小，利用這種方式降低手臂負(fù)荷。

在機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床這兩大主體設(shè)備間形成高效的通訊機(jī)制，采用的是I/O通訊模式，提升整體系統(tǒng)的信息傳遞質(zhì)量，充分利用屏蔽信號電纜而實現(xiàn)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間的緊密連接，信息通訊質(zhì)量得到了全部的保障[3]。

2.2 工藝流程

對鋁板智能產(chǎn)線工藝流程分析制定，是設(shè)計的基礎(chǔ)。通過與企業(yè)技術(shù)人員的溝通，了解鋁板產(chǎn)品的加工精度和其他技術(shù)要求，制定整套工藝流程如下：

Step1：人工上料裝滿上料倉小車，用叉車把料倉安裝在上料位的定位銷上，啟動設(shè)備；

Step2：機(jī)器人根據(jù)視覺判斷吸取工件到機(jī)床內(nèi)夾具安裝位上進(jìn)行再次定位，機(jī)床夾具自動卡緊工件；

Step3：機(jī)器人退出機(jī)床，機(jī)床開始加工；

Step4：機(jī)床加工完成，隨后機(jī)床主軸上吹氣風(fēng)刀通過運動機(jī)床X、Y軸，清理工件表面鋁屑；

Step5：機(jī)床門打開，機(jī)器人抓手吸取工件到下料倉內(nèi)；

Step6：機(jī)床通過運動X、Y軸，吹氣風(fēng)刀再次清理夾具表面的鋁屑；

Step7：機(jī)器人往下偏移一個位移，抓取下一個工件，重復(fù)以上流程，直到加工完成所有工件抓取完；

Step8：料倉一側(cè)的傳感器檢測到最后一個工件已取完，機(jī)器人停止工作，控制系統(tǒng)報警，提示人工更換上下料倉，人工把下料倉四周圍欄鎖上，打開剎車，進(jìn)行上下料倉更換[4]。

2.3 智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計與具體實施

智能產(chǎn)線在完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)搭建、PLC編程及HMI工控組態(tài)、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES聯(lián)調(diào)等工作后，才能實現(xiàn)互聯(lián)互通，組建完善全套控制系統(tǒng)。整體系統(tǒng)在設(shè)計過程中，主要使用了GSK工業(yè)機(jī)器人和銑床，基于此完成整體系統(tǒng)的電路設(shè)計，信號主要包括：自動門的打開以及關(guān)閉到位、機(jī)床準(zhǔn)備信號。數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)在運行過程中，其對應(yīng)的輸出以及輸入信號分別包括機(jī)床準(zhǔn)備就緒、循環(huán)啟動以及卡盤的打開或者關(guān)閉等。編輯或者修改數(shù)控車床系統(tǒng)PMC程序，主要完成機(jī)臺的急停以及限位報警主軸停止以及程序結(jié)束、卡盤夾緊工件、自動方式就緒。本生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)設(shè)計主要涵蓋了主電路設(shè)計，根據(jù)工藝流程要求擴(kuò)展PLC模塊，正確配置I/O，編寫和調(diào)試PLC組態(tài)通訊應(yīng)用程序，主要包括傳感器、按鈕以及驅(qū)動器等，完成PLC編程及HMI工控組態(tài)，實現(xiàn)與數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、料倉等設(shè)備的信號連接和通訊調(diào)試。機(jī)器人以及機(jī)床之間的對接信號可以分成兩個不同的部分：

機(jī)器人→機(jī)床：主要對應(yīng)是自動門的開啟以及關(guān)閉、循環(huán)啟動信號等。

機(jī)床→機(jī)器人：主要對應(yīng)是自動門的打開以及關(guān)閉到位、機(jī)床準(zhǔn)備信號等。

經(jīng)過設(shè)計、安裝、電氣接線、編程及調(diào)試，所設(shè)計的自動上下料生產(chǎn)線實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中上料、加工、下料的自動化和無人化，且滿足一系列技術(shù)要求。機(jī)器人上料、下料動作準(zhǔn)確到位，不會碰撞車床和料架。在斷電、斷氣等異常情況下，機(jī)器人手爪保持夾緊狀態(tài)，保證工件不會脫落。機(jī)器人始終在運動范圍內(nèi)移動，不會超程。同時，生產(chǎn)線具有良好的柔性，可以根據(jù)零件的形狀和數(shù)量調(diào)整數(shù)控加工程序與工業(yè)機(jī)器人程序[5]。

3 結(jié)束語

在智能制造柔性生產(chǎn)線中，工業(yè)機(jī)器人可實現(xiàn)制造工藝過程中所有的零件抓取、上料、下料、裝夾、零件移位和翻轉(zhuǎn)、零件調(diào)頭等，特別適用于大批量、小零部件的加工，能夠極大的節(jié)約人工成本，提 高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線智能化程度影響產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、效率和成本，為適應(yīng)市場的需求，越來越多的企業(yè)通過新建或改造智能制造生產(chǎn)線。本文設(shè)計的智能制造柔性生產(chǎn)線，適用性廣，大大節(jié)約人力成本，增加了加工精度，提高了生產(chǎn)節(jié)拍，并保證不會與其他設(shè)備形成干擾，無任何安全隱患，可得到大力的應(yīng)用及推廣。