段海峰， 韓 偉， 劉建光， 龍勇坤， 廖志青(華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣州 510800)

0 引 言

隨著機器人的發(fā)展，工業(yè)4.0的推進，作為擴展到數(shù)控加工智能技術(shù)自動化操作核心的應(yīng)用型人才卻極度缺乏，而作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的大學(xué)卻沒能跟上步伐，而本研究項目就是希望通過GSK機器人數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)來嘗試對這方面應(yīng)用型人才進行培養(yǎng)，嘗試建立新的實訓(xùn)模式，嘗試完善新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，拓展學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力范疇[1]。

1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局設(shè)計

圖1所示為由GSK機器人、物料架和980T數(shù)控車床組成的柔性制造系統(tǒng)，它由機器人控制柜、機器人、改裝后的氣動數(shù)控車床和用來放料的物料架4部分組成。通過一系列的改裝、布置、編程，可以實現(xiàn)數(shù)控車床編程加工中的自動搬運，自動裝卸和自動加工[2]。

圖1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局圖

2 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)

2.1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的工作流程設(shè)計

根據(jù)圖1數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局圖，要建設(shè)好數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)，首先需要設(shè)計好整套系統(tǒng)的工作流程(見圖2)。

圖2 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的工作流程圖

整個工作流程分為5個步驟。

(1) 前期準(zhǔn)備工作。在開始整個系統(tǒng)前先要做好前期準(zhǔn)備工作，包括數(shù)控車床的通電、開機，典型加工程序的輸入，毛坯原材料的放置準(zhǔn)備等。

(2) 數(shù)控車床自動開門，氣動卡盤自動松開。當(dāng)所有前期準(zhǔn)備工作完成后，就可以開始整套聯(lián)動系統(tǒng)的運行，即氣動改造后的數(shù)控車床先自動開門，松開氣動三角卡盤，這時機器人才可以實現(xiàn)毛坯原材料從物料架到數(shù)控車床三角卡盤位置的搬運[3]。為下一步的固緊加工做準(zhǔn)備。

(3) 氣動卡盤自動固緊，數(shù)控車床自動關(guān)門。通過編輯機器人的運動軌跡，可以實現(xiàn)機器人將毛坯工件搬運到數(shù)控車床的氣動三角卡盤位置，穩(wěn)定后數(shù)控車床的三角卡盤便會自動固緊，然后自動關(guān)上數(shù)控車床的防護門，隨即便可以按照之前輸入的程序開始加工。

(4) 數(shù)控車床自動開門，氣動卡盤。當(dāng)數(shù)控車床按照既定程序完成加工后，防護門自動打開，氣動卡盤自動松開，機器人緊接著就可以像裝夾時一樣按照既定軌跡和動作拆卸掉料頭[4](完成的零件已經(jīng)自動掉入數(shù)控車床的加工位)。

(5) 數(shù)控車床恢復(fù)初始狀態(tài)。加工完成，機器人卸掉料頭，數(shù)控車床便可以恢復(fù)初始狀態(tài)，即自動固緊氣動卡盤，自動關(guān)上防護門，不過需要強調(diào)的是，如果批量加工零件時，物料架上可以有序放入多件毛坯工件，當(dāng)一個零件加工完成后可以回到第2步重新開始，實現(xiàn)批量連續(xù)加工[5]。

2.2 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控車床氣動改造設(shè)計

圖3為應(yīng)用于機械手的數(shù)控車床氣動改造圖，其是為了適應(yīng)現(xiàn)在機械制造業(yè)自動化進程而進行的改造。其中氣動拉桿5為專門加的氣動桿，接氣源，作為氣動防護門2自動滑動的動力。當(dāng)按動控制面板4上另加的按鈕開關(guān)防護門時，防護門可以自動滑動，也可以通過編程來實現(xiàn)[6]。其中氣動三角卡盤3也較平常的三角卡盤接了氣動裝置，當(dāng)按動控制面板4上另加的按鈕松緊三角卡盤時，氣動三角卡盤3可以自動松緊，實現(xiàn)零件的自動裝卸，也可以通過編程來實現(xiàn)[7]。

總的來講，數(shù)控車床進行了氣動改造后，可以實現(xiàn)自動開關(guān)門和自動松緊；配上機器人后，可以實現(xiàn)零件由裝夾到加工，由加工到加工完成，由加工完成到卸料的全自動化流程[8]。

1-數(shù)控車床；2-氣動防護門；3-氣動三角卡盤；4-控制面板；5-氣動拉桿

2.3 典型零件規(guī)劃設(shè)計

以加工小葫蘆為例，如圖4所示為其尺寸圖及部分加工程序，由于這里主要講數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，且篇幅問題，小葫蘆的數(shù)控車床編程及加工過程這里就不再累述，只是以葫蘆為典型零件來進行下一步建設(shè)，比如與之相對應(yīng)的機器人氣動手爪設(shè)計和物料架設(shè)計都與典型零件的尺寸相關(guān)。

2.4 根據(jù)典型零件所做的機器人氣動手爪設(shè)計

根據(jù)加工工件為Φ25的鋁棒,設(shè)計與制作了一個氣動手爪,可以通過氣動控制，實現(xiàn)鋁棒的自動抓取和拆卸[9-10]，其裝配如圖5所示。

2.5 物料架設(shè)計

對于要加工的鋁棒，設(shè)置了一個放置等長棒料的物料架，如圖1中物料架所示。由于機器人的聯(lián)機抓取工件的位置固定，故抓取程序不需要改變；而加工零件的程序作為一個子程序，圖紙一改變只需要改變零件的子程序就可以了[11]。具有非常好的適應(yīng)性，良好的柔性制造，可以取代人工操作，實現(xiàn)自動化機械制造。

圖4 典型零件葫蘆及其部分加工程序

1-氣缸；2-固定板；3-軸，4-聯(lián)接塊；5-板；6-銷；7-固定套；8-夾臂

2.6 實際效果圖

按照前面的設(shè)計和改造，完成了數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，其實際效果圖如圖6所示，經(jīng)驗證，完全可以滿足實訓(xùn)要求。

3 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式的建立

3.1 實施方案設(shè)計

在數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)整套系統(tǒng)硬件的建設(shè)后，還嘗試進行了數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的具體實訓(xùn)，實施方案如下：

(1) 實訓(xùn)目標(biāo)。通過該學(xué)習(xí)過程,使學(xué)生對數(shù)控加工智能技術(shù)有更深入的理解,實現(xiàn)對本科生數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位,達到提高學(xué)生更深入理解工業(yè)4.0智能數(shù)控的教學(xué)目標(biāo)[12]。

(2) 實訓(xùn)對象。本科大三機械專業(yè)學(xué)生。

(3) 實訓(xùn)內(nèi)容。通過之前的規(guī)劃建設(shè)以及教學(xué)方案設(shè)定，指導(dǎo)學(xué)生運用工業(yè)機器人在數(shù)控車床編程加工中完成自動搬運，自動裝卸，自動加工的實訓(xùn)學(xué)習(xí)。

(4) 實訓(xùn)方案。① 根據(jù)設(shè)備承受能力，設(shè)定實訓(xùn)時一組學(xué)生為10人。② 實訓(xùn)時間定為5天，具體的實訓(xùn)時間安排如表1所示。

表1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)時間安排

3.2 機器人運行軌跡設(shè)計

(1) 本套系統(tǒng)里面學(xué)生需要完成任務(wù)中的重點和難點是機器人的運行軌跡編程，我們可以通過編程控制機器人的各個關(guān)節(jié)的自由度來實現(xiàn)機器人手爪的運動。而圖7所示為機器人的運動軌跡流程設(shè)計，指出了機器人從上料到加工，從加工結(jié)束到丟棄料頭，再回到起點的全流程[13-14]。

圖7 機器人運行軌跡流程設(shè)計

(2) 下面為學(xué)生所編輯的機器人運行軌跡的部分程序，右邊為對程序的說明，但因篇幅問題，這里只選取其中一小部分。

3.3 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式的特色與創(chuàng)新點

本數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式的建設(shè)是針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)的實訓(xùn)模式的改進，在試運行期間也受到師生的一致好評，和傳統(tǒng)的實訓(xùn)模式相比它有著不少的特色與創(chuàng)新點：

(1) 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式引進了柔性制造系統(tǒng)的概念，擺脫了傳統(tǒng)實訓(xùn)的單一設(shè)備實訓(xùn)的模式，多臺設(shè)備的聯(lián)動，尤其是機器人的引進，不但提高了學(xué)生對機械工藝的認(rèn)識，更是豐富了實訓(xùn)的內(nèi)容，增加了學(xué)生動手的機會。

(2) 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)中，學(xué)生們學(xué)習(xí)了GSK機器人與數(shù)控車床的聯(lián)調(diào)方法，規(guī)劃機器人上、下料運行軌跡，實現(xiàn)零件加工過程中上、下料的自動化和無人化[15]；這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以為學(xué)生將來掌握運用機器人技術(shù)提高加工效率，掌握數(shù)控加工智能技術(shù)自動化奠定堅實的基礎(chǔ)。

(3) 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式提高了學(xué)生實訓(xùn)的興趣，增加了學(xué)生在實訓(xùn)中創(chuàng)新的機會，也使學(xué)生在實踐中加強了對自動控制方面知識的了解，積累了一些自動化改造與應(yīng)用的經(jīng)驗。

(4) 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式增加了學(xué)生對機器人的認(rèn)知和了解，柔性制造系統(tǒng)概念的確立，完善了新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，拓展了學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力范疇。

4 結(jié) 語

數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式是對現(xiàn)有的實訓(xùn)模式的一種改革，由單一設(shè)備的實訓(xùn)模式改為多設(shè)備的聯(lián)動實訓(xùn)模式；GSK機器人的引入，數(shù)控車床的氣動化改造，零件加工過程中上下料的自動化和無人化，這些單元的實施，不但會提高學(xué)生實訓(xùn)的興趣，也會為學(xué)生將來掌握運用機器人技術(shù)，掌握數(shù)控加工智能技術(shù)自動化奠定堅實的基礎(chǔ)；數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實訓(xùn)模式的建設(shè)和嘗試，希望會對完善新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位提供一項參考。

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