甘愛(ài)芬

0 引言

隨著先進(jìn)技術(shù)的普及、國(guó)家智能制造政策的推廣，企業(yè)制造系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高，中國(guó)從制造走向“智造”。尤其珠三角地區(qū)企業(yè)紛紛響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，推廣機(jī)器換人計(jì)劃。由于精密機(jī)床的技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的人工操作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要。機(jī)器人在機(jī)床上下料方面的應(yīng)用顯得尤其迫切。

C公司針對(duì)此次產(chǎn)線改造的產(chǎn)品為鋁材端蓋，見(jiàn)圖1，鋁片通過(guò)機(jī)床擠壓成型。改造前機(jī)床上下料采用傳統(tǒng)人工操作，產(chǎn)品擠壓成型周期約為5 s。以傳統(tǒng)方式進(jìn)行批量化生產(chǎn)的瓶頸在于工人連續(xù)操作一段時(shí)間后需要休息以及工人交接班需要停止生產(chǎn)，總計(jì)時(shí)間4小時(shí)。如果采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料后的自動(dòng)化改造，將實(shí)現(xiàn)機(jī)器24小時(shí)運(yùn)作無(wú)間斷，生產(chǎn)效率提高16.7%。本文針對(duì)實(shí)際案例分析，提出工業(yè)機(jī)器人在智能制造方面的應(yīng)用，尤其在機(jī)床上下料方面應(yīng)大力推廣，從而為企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品品質(zhì)，提高生產(chǎn)彈性。

圖1 產(chǎn)品圖樣

1 自動(dòng)化改造的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)C公司提供的目前生產(chǎn)狀況，考慮鋁材端蓋的生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)車間的機(jī)床狀況，以及FANUC智能化機(jī)床上下料系統(tǒng)【1】應(yīng)用案例分析，提出了工業(yè)機(jī)器人代替人工完成機(jī)床上下料的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案。本次改造，主要根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的科學(xué)定義做了以下幾項(xiàng)設(shè)計(jì)要求：

（1）經(jīng)濟(jì)性：目前的生產(chǎn)車間機(jī)床數(shù)量300多臺(tái)，空間布置緊湊，改造必須考慮空間大小以及便利性，避免基建的重大改造造成不必要的經(jīng)濟(jì)投入；

（2）操作簡(jiǎn)便：整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的操作流程須簡(jiǎn)單，方便，節(jié)省人力，提高效率；

（3）安全可靠：整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)必須保證人員的使用安全，以及制造環(huán)境的安全[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

機(jī)器人在智能化機(jī)床上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)[3]，針對(duì)機(jī)器人對(duì)無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運(yùn)應(yīng)用的參考案例，提出此次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行機(jī)床上下料自動(dòng)化生產(chǎn)，如圖2所示，本方案由1臺(tái)Fanuc機(jī)器人、自動(dòng)控制柜、旋轉(zhuǎn)式入料機(jī)構(gòu)、雙層出料機(jī)構(gòu)以及2臺(tái)機(jī)床等組成，完成產(chǎn)品取件、上料、下料至輸送帶，最后由人工檢驗(yàn)、裝箱。

圖2 自動(dòng)化改造生產(chǎn)線

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件構(gòu)造化技術(shù)[4]與基于PLC和CC-Link總線的工業(yè)機(jī)器人控制【5】的實(shí)現(xiàn)技術(shù)文章里，作者都充分分析與應(yīng)用機(jī)器人的軟件能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備聯(lián)動(dòng)的功能。在本案例中，考慮到最大化利用空間以及設(shè)備使用率，提出應(yīng)用1臺(tái)機(jī)器人聯(lián)合2臺(tái)或3臺(tái)機(jī)床設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)制造，可以充分利用空間和節(jié)省機(jī)器人成本。采取3臺(tái)機(jī)床同時(shí)運(yùn)作的方案，由于機(jī)器人手臂尺寸以及產(chǎn)品成型時(shí)間太短問(wèn)題，無(wú)法充分利用機(jī)器人的效益，最終選擇1臺(tái)機(jī)器人配合2臺(tái)機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化。

產(chǎn)品成型流程如下：工人間隔4個(gè)小時(shí)更換料盤(pán)一次，機(jī)器人手臂吸取鋁盤(pán)送至機(jī)床固定工裝進(jìn)行定位擠壓加工；在加工過(guò)程中，機(jī)器人抓取鋁盤(pán)上的塑料紙放置在塑料紙盤(pán)后，吸取第二個(gè)鋁盤(pán)在第二臺(tái)機(jī)床進(jìn)行擠壓加工。第一個(gè)鋁材端蓋加工完畢后，機(jī)器人吸取產(chǎn)品放置在出料皮帶上。接著第二個(gè)生產(chǎn)完畢，重復(fù)前面的取料動(dòng)作至出料皮帶。不論原料鋁盤(pán)還是成品鋁材端蓋，每個(gè)產(chǎn)品間都有一張塑料紙防止刮花。所以在每次的上料和下料動(dòng)作中，都有一次的塑料紙傳遞的動(dòng)作進(jìn)行重復(fù)利用。具體流程圖如圖3。

圖3 上下料流程圖

2.3 旋轉(zhuǎn)入料機(jī)構(gòu)

孫豐[6]在其雙工位旋轉(zhuǎn)取放料機(jī)構(gòu)文章中提到，特征在于機(jī)械手、定位平臺(tái)、整形平臺(tái)設(shè)置在機(jī)臺(tái)上，送料帶設(shè)置在機(jī)臺(tái)一側(cè)，包膜平臺(tái)設(shè)置在機(jī)臺(tái)另一側(cè)，雙工位吸盤(pán)設(shè)置在機(jī)械手上并隨著機(jī)械手運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。根據(jù)此設(shè)計(jì)原理，在對(duì)C公司的方案設(shè)計(jì)中，如圖4所示，入料機(jī)構(gòu)采用電氣控制氣缸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)傳感器感應(yīng)到一組料架上的鋁盤(pán)已經(jīng)被取完，將自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到另一組料架，接著下一個(gè)生產(chǎn)動(dòng)作。由于產(chǎn)品的尺寸不一，為了減少工裝夾具的制作，節(jié)省成本，由此設(shè)計(jì)出可調(diào)節(jié)式產(chǎn)品固定架。工人上料間隔時(shí)間主要根據(jù)原料每次堆放的數(shù)量來(lái)確定，即客戶批次生產(chǎn)量。這個(gè)時(shí)間目前設(shè)定為4 h，在這個(gè)時(shí)間段，工人可去進(jìn)行其他工作任務(wù)，一人多個(gè)崗位，節(jié)省人工成本。改變以前每小時(shí)更換上料架的情況。而且固定尺寸的固定架，需要制作不同的產(chǎn)品模架適應(yīng)不同尺寸產(chǎn)品需求，節(jié)省存儲(chǔ)空間、更換時(shí)間以及工具成本。目前僅僅通過(guò)輕松地調(diào)整固定架柱子位子就可以達(dá)到要求。而利用傳感器的功能，輕松就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳送鋁盤(pán)的功能。一組料架用完，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸送下一組料架。此設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)具有定位精準(zhǔn)、性能穩(wěn)定，可大大提高工作效率。

圖4 旋轉(zhuǎn)入料機(jī)構(gòu)

2.4 手爪

為了獲得穩(wěn)定、高效的工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄而表面光滑的金屬制品以及紙張的抓取[7]，手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用具有真空吸附技術(shù)的機(jī)器人氣動(dòng)手爪來(lái)搬運(yùn)物料。如圖5上下料采取可手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行抓取，上下料手抓由3個(gè)吸盤(pán)吸料，考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性圓盤(pán)，抓取位置設(shè)計(jì)在產(chǎn)品中心，而鋁盤(pán)端蓋中間部分已加工部分沾有潤(rùn)滑油，不適合吸取動(dòng)作，所以設(shè)計(jì)手抓直接抓取產(chǎn)品邊緣，利用三個(gè)吸盤(pán)定位?？紤]不同產(chǎn)品大小問(wèn)題，設(shè)計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)手抓同時(shí)應(yīng)用在多個(gè)產(chǎn)品的功能，節(jié)省手抓生產(chǎn)費(fèi)用與時(shí)間成本。

圖5 手抓

2.5 PLC對(duì)機(jī)床以及機(jī)器人監(jiān)管

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮自動(dòng)門(mén)、機(jī)床夾具以及機(jī)床通訊改造的內(nèi)容。針對(duì)這些改造需要考慮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、互不干擾，所以設(shè)置了實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，采用專用監(jiān)控平臺(tái)，能夠滿足生產(chǎn)線上設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、報(bào)警、預(yù)警，并形成完整的工位生產(chǎn)流程圖監(jiān)控。而此功能實(shí)現(xiàn)，主要采取PLC對(duì)機(jī)床與機(jī)器人的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控管理[8]。電氣架構(gòu)示意圖如圖6，機(jī)床與機(jī)器人信號(hào)表如圖7。

圖6 電氣架構(gòu)示意圖

圖7 機(jī)床、機(jī)器人信號(hào)表

3 結(jié)論

隨著勞動(dòng)力成本的不斷增加，中國(guó)人口老齡化，需要企業(yè)不斷探索發(fā)展思路，除了拓展市場(chǎng)以外，更多地從內(nèi)部的管理水平提升、生產(chǎn)技術(shù)更新去降低產(chǎn)品成本。中國(guó)智造推動(dòng)著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，企業(yè)創(chuàng)新能力的發(fā)展，生產(chǎn)關(guān)系將變得更加合理。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用更是讓企業(yè)的生產(chǎn)有了更好的發(fā)展方向。機(jī)器換人，成為眾多企業(yè)生存下去的必要手段和發(fā)展趨勢(shì)。

本次對(duì)C公司鋁材端蓋制造工藝的自動(dòng)化改造，充分發(fā)揮了精密機(jī)床的功能，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省人力物力，大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)安全，提高企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。