王雷 徐鵬 顧歡

（1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港222061；2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061）

【摘 要】柔性加工是當(dāng)前機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展方向，柔性加工單元因特別適合中小企業(yè)的需要，其發(fā)展?jié)摿屯茝V空間十分巨大。文章利用自動(dòng)上下料技術(shù)，構(gòu)建機(jī)器人柔性車削加工單元；分析了單元的車削加工工藝流程，并重點(diǎn)描述了單元中的關(guān)鍵設(shè)備如機(jī)器人、自動(dòng)上料機(jī)、復(fù)合手爪及激光測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人柔性車削加工單元可廣泛應(yīng)用于軸類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】柔性加工單元；杰瑞機(jī)器人；自動(dòng)上下料

【中圖分類號(hào)】TG385 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）06-0052-04

0 引言

隨著產(chǎn)品的多品種、小批量的市場(chǎng)需求越來(lái)越明顯，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及非常短的交貨周期使制造企業(yè)越來(lái)越廣泛地采用柔性制造系統(tǒng)[1]。機(jī)器人柔性車削加工單元是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，它是以機(jī)器人或機(jī)械手為工作核心，由數(shù)控車床和其他輔助設(shè)備組成，具有占地面積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、投資較小、可靠性較高、使用及維護(hù)均較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性制造系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一[2-4]。

現(xiàn)在，各企業(yè)制造車間中的數(shù)控車床數(shù)量雖然較多，但普遍存在利用率低的問(wèn)題。本文以此為背景，構(gòu)建了一種基于自動(dòng)上料機(jī)和工業(yè)機(jī)器人的柔性車削加工單元，并重點(diǎn)描述了單元中的關(guān)鍵設(shè)備如機(jī)器人、自動(dòng)上料機(jī)、復(fù)合手爪及激光測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人柔性車削加工單元可廣泛應(yīng)用于軸類零件的自動(dòng)化加工，能夠顯著提高企業(yè)的整體裝備水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 機(jī)器人柔性車削加工單元總體方案

為提高數(shù)控車床的使用率和自動(dòng)化加工水平，代替人工操作，采用機(jī)器人構(gòu)建的柔性車削加工單元的組成及布局如圖1所示。機(jī)器人柔性車削加工單元的主要構(gòu)成設(shè)備包括自動(dòng)上料機(jī)、數(shù)控車床、六軸機(jī)器人、激光刻字機(jī)、激光測(cè)徑儀、周轉(zhuǎn)臺(tái)、安全圍欄和安全光柵等。其中，自動(dòng)上料機(jī)用于將棒料從數(shù)控車床主軸后面自動(dòng)上料；六軸機(jī)器人用于棒料加工定位、工件抓取、托盤抓取、吹屑冷卻液等自動(dòng)化動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)；激光測(cè)徑儀用于檢測(cè)加工完成后的工件外徑尺寸；周轉(zhuǎn)臺(tái)用于放置盛放加工工件的托盤；安全圍欄和安全光柵用于保證機(jī)器人操作的安全性。

單元控制柜采用西門子S7-300系列PLC主控制器進(jìn)行系統(tǒng)邏輯控制，完成對(duì)機(jī)器人、數(shù)控車床、自動(dòng)上料機(jī)、激光測(cè)徑儀、操作按鈕、觸摸屏和指示燈、安全光柵和安全門開關(guān)等各種外設(shè)的通信控制工作。人機(jī)界面采用WENVIEW品牌的10英寸觸摸屏，編制良好的人機(jī)界面，完成生產(chǎn)管理、狀態(tài)管理和維護(hù)管理等工作。

機(jī)器人柔性車削加工單元電氣控制系統(tǒng)包括PLC主控制器、車床數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人控制器、上料機(jī)PLC控制器等部分，并與蘭光DNC系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

PLC主控制器是整個(gè)單元的控制中樞，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、串行通信、I/O信號(hào)等統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制FANUC數(shù)控車床、六軸機(jī)器人、激光測(cè)徑儀、自動(dòng)上料機(jī)及外部I/O設(shè)備的動(dòng)作。

PLC主控制器與激光測(cè)徑儀通過(guò)RS232進(jìn)行通信，可以將加工工件的尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至主控制器與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，從而判斷工件加工是否合格；PLC主控制器與DNC系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通信，可以將檢測(cè)的質(zhì)量偏差上傳到DNC系統(tǒng)，DNC系統(tǒng)處理來(lái)自PLC的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成刀補(bǔ)文件通過(guò)串口下行到數(shù)控車床，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刀補(bǔ)功能；PLC主控制器通過(guò)I/O信號(hào)控制六軸機(jī)器人，PLC主控制器向機(jī)器人控制器下發(fā)控制信號(hào)，機(jī)器人控制器控制其6個(gè)電機(jī)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)、定位等動(dòng)作，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程通過(guò)機(jī)器人手持器示教完成，大幅簡(jiǎn)化生產(chǎn)規(guī)劃流程；PLC主控制器與上料機(jī)PLC控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行信息互聯(lián)，傳遞上料機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、停止型號(hào)、缺棒料信號(hào)、棒料上下調(diào)整參數(shù)數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)有多個(gè)外部輸入、輸出點(diǎn)需要控制，輸出控制點(diǎn)包括機(jī)械手爪氣缸電磁閥、吹屑電磁閥、移門氣缸電磁閥、三爪卡盤電磁閥、機(jī)床啟動(dòng)停止繼電器、控制柜面板指示燈等，輸入控制點(diǎn)包括移門限位開關(guān)、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、安全光柵安全門信號(hào)、控制柜面板按鈕信號(hào)等。

2 單元車削工藝流程

機(jī)器人柔性車削加工單元自動(dòng)化加工流程如圖3所示。PLC主控制器為整個(gè)自動(dòng)化加工單元的控制核心，收到加工任務(wù)后，先由人工將棒料批量放入上料機(jī)棒料倉(cāng)內(nèi)，并在單元總控柜上人工錄入棒料直徑自動(dòng)調(diào)整中心定位槽位置，調(diào)整完成后按下單元啟動(dòng)按鈕。機(jī)床門關(guān)閉，液壓系統(tǒng)控制三爪卡盤松開，上料機(jī)開始自動(dòng)上料，棒料到達(dá)到指定位置時(shí)上料機(jī)停止推料，液壓系統(tǒng)控制三爪卡盤夾緊棒料，數(shù)控車床開始加工。加工完成后，機(jī)床門打開，機(jī)器人手臂進(jìn)入加工倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行吹屑和冷卻液，機(jī)器人通過(guò)機(jī)械手爪夾持住工件扭動(dòng)脫離棒料，機(jī)床門關(guān)閉，三爪卡盤松開，機(jī)床刀架上的叉狀裝置叉取棒料完成自動(dòng)定位準(zhǔn)備下一件工件的加工。機(jī)器人夾持工件送至激光刻字機(jī)刻印二維碼，然后送至定位工裝由激光測(cè)徑儀進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，如果質(zhì)檢不合格，扔入廢料箱并提供給DNC系統(tǒng)偏差數(shù)據(jù)，DNC系統(tǒng)自動(dòng)生成刀補(bǔ)文件下行給數(shù)控車床，車床自動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀補(bǔ)；如果質(zhì)檢合格，機(jī)器人將工件裝入托盤，托盤裝滿后發(fā)出計(jì)數(shù)信號(hào)，機(jī)器人將托盤放至滿托盤料倉(cāng)從空托盤料倉(cāng)夾持空托盤放至過(guò)渡周轉(zhuǎn)臺(tái)，系統(tǒng)準(zhǔn)備下一批工件的加工，如需上料新棒料則由機(jī)器人將尾料取出并拋棄，上料機(jī)重新上料，如此循環(huán)完成一個(gè)批次的工件加工任務(wù)。

3 單元關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)方案研究

3.1 六軸機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案

六軸機(jī)器人采用江蘇自動(dòng)化研究所自主研制的基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計(jì)的60 kg關(guān)節(jié)臂式機(jī)器人，配合復(fù)合手爪根據(jù)示教程序完成抓取工件、拉取棒料、碼放工件及搬運(yùn)托盤等動(dòng)作任務(wù)，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。杰瑞六軸機(jī)器人為用戶提供了一個(gè)全開放、可擴(kuò)展的機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。針對(duì)不同的應(yīng)用研究和開發(fā)項(xiàng)目，用戶可以方便地向控制系統(tǒng)中添加視覺傳感器、力傳感器及紅外等各種擴(kuò)展傳感器，或者添加各種末端工具來(lái)擴(kuò)展機(jī)器人的功能，并將這些擴(kuò)展功能與機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的二次開發(fā)功能。

3.2 自動(dòng)上料機(jī)的設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)上料機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，包括機(jī)殼、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、棒料倉(cāng)、接近傳感器、中心定位“V”形槽、推棒料電缸、推棒料伺服電機(jī)、推料氣缸、上下調(diào)整電缸、上下調(diào)整伺服電機(jī)、單元控制柜等。單元控制柜為自動(dòng)上料機(jī)電控柜，其控制核心為西門子S7-200系列PLC。上料機(jī)PLC控制器和單元PLC主控制器之間通過(guò)以太網(wǎng)互聯(lián)，傳遞啟動(dòng)信號(hào)、停止型號(hào)、缺棒料信號(hào)、棒料上下調(diào)整參數(shù)數(shù)據(jù)等。

自動(dòng)上料機(jī)工作原理如下：上料機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，先打開啟動(dòng)按鈕，操作工人將一堆形狀規(guī)則的棒料倒入上料機(jī)棒料倉(cāng)中，在單元PLC主控制器觸摸屏上輸入棒料直徑尺寸，系統(tǒng)將尺寸參數(shù)傳送給上料機(jī)PLC控制器，控制上下調(diào)整伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)上下調(diào)整電缸調(diào)整中心定位“V”形槽的位置，確保棒料能夠進(jìn)入數(shù)控車床上料口。推料氣缸向上推動(dòng)將一根棒料從棒料倉(cāng)推入中心定位“V”形槽，推棒料伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)推棒料電缸推動(dòng)棒料沿中心定位“V”形槽進(jìn)入數(shù)控車床，從而完成上料。當(dāng)完成一根棒料的加工后，推料氣缸向上推動(dòng)下一根棒料從棒料倉(cāng)推入中心定位“V”形槽，從而完成對(duì)數(shù)控車床的持續(xù)上料。當(dāng)接近傳感器檢測(cè)到幫料倉(cāng)內(nèi)沒有棒料后，上料機(jī)PLC控制器向系統(tǒng)PLC主控制器發(fā)出缺棒料信號(hào)，提醒人工批量上料棒料。

3.3 復(fù)合手爪的設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人的復(fù)合手爪裝置主要完成夾持工件、工件托盤等動(dòng)作，并在夾持工件過(guò)程中吹掉工件上附著的碎屑和冷卻液。復(fù)合手爪主要包括夾具轉(zhuǎn)接架、托盤夾具、工件夾具、連接法蘭及吹屑裝置等部分，如圖6所示。復(fù)合手爪通過(guò)氣缸帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持功能。工件夾具用于將加工好的工件從車床內(nèi)的棒料上掰離并取出，托盤夾具用于夾持托盤。工件夾具末端在2個(gè)方向上設(shè)計(jì)有“V”形凹槽，便于夾具從不同角度夾持工件。上、下2組吹屑裝置安裝在工件夾具上，在零件的夾持過(guò)程中由程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹屑功能。

3.4 激光測(cè)徑儀的設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人柔性車削加工單元的質(zhì)量控制要素為加工件的外圓直徑。采用基恩士LS7070激光測(cè)徑儀進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)，如圖7所示。激光測(cè)徑儀配套定位工裝，在進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，機(jī)器人將工件放置定位工裝定位，由激光測(cè)徑儀進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，更換不同規(guī)格尺寸的棒料時(shí)，需人工為質(zhì)檢儀器更換定位工裝。

激光測(cè)量外徑時(shí)，機(jī)器人將棒料送至定位“V”形塊后，壓緊氣缸向下運(yùn)動(dòng)壓緊棒料，然后激光測(cè)徑儀開始測(cè)量外徑，并將所測(cè)的數(shù)值傳輸?shù)娇偪?。測(cè)量結(jié)束后，機(jī)器人將棒料放到零件托盤中。

采用激光掃描原理進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示，激光發(fā)生裝置產(chǎn)生的激光，照射在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)棱鏡上，通過(guò)發(fā)射透鏡組在測(cè)試區(qū)間中形成標(biāo)準(zhǔn)掃描平行光束，測(cè)試區(qū)間中的被測(cè)量物體遮擋光束形成的陰影，會(huì)在光電收集端形成信號(hào)的階躍，階躍寬度及位置決定了被測(cè)量物體的直徑及在測(cè)試區(qū)間位置等參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中對(duì)無(wú)人化和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的要求，機(jī)器人柔性車削加工單元越來(lái)越受到機(jī)床制造商和用戶的重視。本加工單元已在某精密零部件生產(chǎn)廠得到了實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)床上下料，在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)具有柔性化功能。采用工業(yè)機(jī)器人形成柔性化車削加工自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了數(shù)控機(jī)床的操作安全性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，工件的上下料及自動(dòng)加工連接緊密，因此大大提高了工作效率，具有較好的推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]覃南強(qiáng)，譚仲海.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（10）：43-45.

[2]盧澤旭.工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電信息，2012（12）：49-51.

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【基金項(xiàng)目】國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61305050）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012236）。

【作者簡(jiǎn)介】王雷，女，江蘇連云港人，碩士研究生，連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

【通訊作者】徐鵬，男，山東威海人，博士，江蘇自動(dòng)化研究所高級(jí)工程師，研究方向：數(shù)字化車間的研究與開發(fā)。