李偉光 林思引

(華南理工大學(xué)機(jī)械制造及其自動化學(xué)院，廣東廣州 510641)

不銹鋼餐廚具以其美觀輕便、光潔、易于清洗、不銹蝕等優(yōu)點(diǎn)頗受國內(nèi)外消費(fèi)者歡迎，已逐漸成為餐具中的主流［1］。不銹鋼廚具拉伸成型生產(chǎn)線主要完成取料、沖壓拉伸和卸料等工序。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式由人工取料，并對鋼板和模具噴油潤滑，再手動送料入沖壓機(jī)成型，最后卸料。由于工人操作的不穩(wěn)定性，從而影響沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，加工過程涉及機(jī)械沖壓，若生產(chǎn)條件差，易發(fā)生工傷事故。

為了提高不銹鋼廚具生產(chǎn)的自動化水平，改善生產(chǎn)線工作環(huán)境，本文采用了基于PLC+PC控制模式的機(jī)器人系統(tǒng)，構(gòu)建了包括設(shè)備層、控制層和管理層的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線，利用機(jī)器人、拉伸料重疊檢測裝置和沖壓機(jī)的協(xié)同工作，完成工件的自動拉伸成型。

1 不銹鋼廚具拉伸成型生產(chǎn)線整體介紹

現(xiàn)有不銹鋼廚具拉伸成型設(shè)備是沖壓機(jī)。生產(chǎn)線主要完成三道工序:上料、拉伸成型、下料。工人將不銹鋼板和沖壓模具噴油潤滑后，將鋼板人工送入沖壓機(jī)預(yù)定位置，然后按下沖壓按鈕并控制沖壓按鈕，沖壓拉伸完成后再由工人卸料。由于人工操作的不穩(wěn)定性，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，并且工作環(huán)境有一定的危險(xiǎn)性，故對不銹鋼廚具拉伸成型生產(chǎn)線的自動化改造很有必要。本文采用自主設(shè)計(jì)的基于PLC+PC控制模式的五軸機(jī)器人替代工人操作，與拉伸料重疊檢測裝置和沖壓機(jī)構(gòu)成不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線［2］，如圖1所示。機(jī)器人主要完成拉伸料和工件的搬運(yùn)，重疊檢測裝置用于檢測拉伸料(鋼板)是否重疊，沖壓機(jī)主要完成沖壓拉伸成型，控制柜是整個(gè)系統(tǒng)的控制裝置。

2 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線構(gòu)建

2.1 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建了基于機(jī)器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該生產(chǎn)線由負(fù)責(zé)生產(chǎn)信息管理的管理層，負(fù)責(zé)拉伸成型過程的控制層，以及設(shè)備本體構(gòu)成的設(shè)備層組成。

2.2 管理層結(jié)構(gòu)

基于機(jī)器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線系統(tǒng)中的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，完成訂單管理、生產(chǎn)管理、工藝管理、報(bào)警管理和操作人員管理等工作，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 控制層結(jié)構(gòu)

控制層(如圖4所示)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制機(jī)器人與拉伸料重疊檢測裝置、沖壓機(jī)的協(xié)同工作?？刂茖佑芍鱌LC+從PC的主從控制模式構(gòu)成。PLC負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯控制部分，具體包括沖壓機(jī)的信號采集、沖壓控制和順序上下料控制，拉伸料檢測裝置的信號采集，與PC進(jìn)行通訊、置位標(biāo)志位等。PC機(jī)實(shí)時(shí)掃描串口，當(dāng)監(jiān)測到主PLC發(fā)出的標(biāo)志位時(shí)，通過運(yùn)動控制卡控制機(jī)器人的伺服軸運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的插補(bǔ)運(yùn)動控制和拉伸料吸放操作。

控制系統(tǒng)基于高性能PLC和PC，PLC通過RS422連接觸摸屏，PC連接顯示器和鍵盤鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)信息交互，同時(shí)PLC和PC通過串口通信交換標(biāo)志位。

2.4 設(shè)備層結(jié)構(gòu)

設(shè)備層主要包括沖壓機(jī)、拉伸料重疊檢測裝置和機(jī)器人。各設(shè)備在控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)配合，完成不銹鋼廚具拉伸成型的自動化生產(chǎn)。

(1)沖壓機(jī)

沖壓機(jī)是完成不銹鋼廚具沖壓拉伸成型工序的設(shè)備。不銹鋼廚具拉伸成型系統(tǒng)可以是一臺機(jī)器人對應(yīng)多臺沖壓機(jī)，以提高生產(chǎn)效率。本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線以一臺沖壓機(jī)為例。為了適應(yīng)不銹鋼廚具拉伸成型生產(chǎn)線的自動化需要，在原有沖壓機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適應(yīng)性改造。主要是加裝傳感器和傳感器與PLC的連接。傳感器檢測沖壓機(jī)是否完成上料、沖壓以及下料，再將各動作信號輸入PLC輸入口。PLC輸出信號控制沖壓機(jī)入模、沖壓時(shí)間、出模等動作。

(2)拉伸料重疊檢測裝置

拉伸料重疊檢測裝置是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吸取拉伸料時(shí)鋼板是否重疊的檢測，防止多片重疊的拉伸料被同時(shí)送入模具內(nèi)造成模具爆裂。由于拉伸料是光滑的不銹鋼板，且入模前表面已噴潤滑油，故鋼板有時(shí)會粘合。拉伸料重疊檢測裝置通過檢測鉗檢測機(jī)器人吸取的鋼板厚度。檢測傳感器在單片鋼片或鋼片重疊時(shí)會有不同的信號，通過判斷檢測傳感器的不同信號達(dá)到檢測拉伸料是否重疊。當(dāng)機(jī)器人手爪吸取的是單片鋼板時(shí)，機(jī)器人繼續(xù)進(jìn)行上料工序;當(dāng)檢測到吸取的鋼片重疊時(shí)，機(jī)器人丟棄吸取的鋼片，重新吸取新的鋼片。

(3)機(jī)器人

機(jī)器人完成拉伸料在各設(shè)備間的搬運(yùn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。機(jī)器人有5個(gè)自由度，分別位于腰部、大臂、小臂、手腕和手爪，其運(yùn)動由PC+運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動控制卡控制5個(gè)伺服驅(qū)動器帶動伺服電動機(jī)，從而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各動作和末端運(yùn)動軌跡。機(jī)器人末端安裝有一執(zhí)行拉伸料吸放的末端執(zhí)行器，如圖6所示。該執(zhí)行器采用通用化設(shè)計(jì)，主要由吸盤裝置和噴油潤滑裝置構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格拉伸料的吸放和潤滑。

3 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線工作流程

基于機(jī)器人的不銹鋼拉伸成型生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為PLC+PC控制模式，以PLC的邏輯控制為主，以PC和運(yùn)動控制卡的運(yùn)動控制為從。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有6種工作模式，分別為回零模式、手動模式、示教模式、自動模式、停止模式和故障模式，具體的工作模式由人工在觸摸屏上進(jìn)行選擇，如圖7所示。下面分述如下:

(1)回零模式為系統(tǒng)上電啟動后，分別啟動機(jī)器人、沖壓機(jī)、拉伸料重疊檢測裝置，PLC進(jìn)行沖壓機(jī)就緒檢測、拉伸料重疊檢測裝置狀態(tài)檢測，PC串口初始化、標(biāo)志初始化、VC窗口初始化、機(jī)器人空間位置初始化(5個(gè)關(guān)節(jié)軸的回零)。若有設(shè)備出現(xiàn)故障或延時(shí)未能監(jiān)測到信號，轉(zhuǎn)入故障模式。

(2)手動模式為人工控制操作，此處有兩種方式:在觸摸屏上操作可以使機(jī)器人執(zhí)行被選擇的動作，在PC的運(yùn)行界面上操作可以手動控制機(jī)器人的5個(gè)軸和氣爪單獨(dú)動作。

(3)示教模式為利用PC界面人工操作伺服軸運(yùn)動，示教完成后機(jī)器人自動運(yùn)行之前示教的軌跡和動作。

(4)自動模式為生產(chǎn)線完全在PLC和PC的控制下按生產(chǎn)節(jié)拍自動運(yùn)作，無須人工干預(yù)。

(5)停止模式為生產(chǎn)線停止生產(chǎn)后各設(shè)備所必須進(jìn)行的處理模式。

(6)故障模式為當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到故障信息時(shí)轉(zhuǎn)入的處理模式。

本文僅論述自動模式流程。

4 結(jié)語

本文首先介紹了不銹鋼廚具拉伸成型生產(chǎn)線的整體情況及設(shè)備布局，提出采用基于PLC+PC控制模式的機(jī)器人，與重疊檢測裝置和沖壓機(jī)組成自動化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)有生產(chǎn)信息管理層、邏輯和運(yùn)動控制層、設(shè)備本體構(gòu)成的設(shè)備層，最后介紹了生產(chǎn)線的6種工作模式并重點(diǎn)敘述了自動模式流程。本文構(gòu)造的基于機(jī)器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產(chǎn)線可以適應(yīng)不銹鋼廚具的實(shí)際生產(chǎn)，滿足了生產(chǎn)線自動化的要求。

［1］紀(jì)冬.不銹鋼餐廚具出口:喜憂參半［J］.中國檢驗(yàn)檢疫，2008(1):13－14.

［2］陳生翰.不銹鋼廚具拉伸成型工序機(jī)器人控制軟件與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2009:6－7.

［3］席盛代.基于PLC+PC工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(7).

［4］周焱森，鄧菊發(fā)，李紅.機(jī)器人在沖壓線中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代零部件，2004(9):73－75.

［5］MURPHY.Introduction to AI robots［M］.Massachusetts:The MIT Press，2000.

［6］FELIX I，RAJA C，RACHID A.An architecture for dependable autonomous robots［J］.Emerging Technologies and Factory Automation，2001(2).