□ 張 琛 □ 倪受東 □ 張 靜

1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 南京 211800

2.南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院 南京 211800

1 設(shè)計(jì)背景

工業(yè)機(jī)器人模仿人的手臂，按照設(shè)定的路徑等參數(shù)進(jìn)行物件的抓取、搬運(yùn)及其它動作，是目前工業(yè)自動化生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一。筆者所研究的工業(yè)機(jī)器人自動上下料系統(tǒng)，是在閥門殼體加工生產(chǎn)線中通過設(shè)定好的可編程序控制器（PLC）來控制工業(yè)機(jī)器人的動作，實(shí)現(xiàn)三臺機(jī)床的自動上下料。由于此項(xiàng)操作重復(fù)性強(qiáng)、工作強(qiáng)度高，手工操作不能滿足大批量生產(chǎn)的實(shí)際需求，而工業(yè)機(jī)器人可以快速準(zhǔn)確地長時間作業(yè)，重復(fù)定位精度高，環(huán)境適應(yīng)性好，可以極大地提高生產(chǎn)效率?？梢?，工業(yè)機(jī)器人可以用高精度智能化的操作代替人力[1]，所以對工業(yè)機(jī)器人的柔性控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用到工廠實(shí)際生產(chǎn)中很有必要。

2 上下料系統(tǒng)組成及工藝流程

筆者選用安川MS165機(jī)器人來完成閥門殼體加工生產(chǎn)線的自動上下料。安川MS165工業(yè)機(jī)器人是一款高效率、多功能工業(yè)機(jī)器人，主要由本體、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和示教器四個基本部分組成[2]，具有兩個抓手。

根據(jù)工藝流程，閥門殼體需要在數(shù)控車床、液壓組合鉆床、數(shù)控磨床等三臺機(jī)床上依次進(jìn)行加工。殼體毛坯首先通過進(jìn)料傳送帶運(yùn)送到指定位置，由工業(yè)機(jī)器人抓取并經(jīng)過數(shù)控車床（1號）、液壓組合鉆床（2號）、數(shù)控磨床（3號）依次加工，最后通過出料傳送帶完成相關(guān)的操作。根據(jù)閥門殼體加工工藝流程，建立了如圖1所示由傳送帶、工業(yè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)，以及三臺機(jī)床組成的自動上下料加工生產(chǎn)線，現(xiàn)場輔以加工自動線安全圍欄。

閥門殼體生產(chǎn)線的工藝流程為：① 進(jìn)料，1號殼體由進(jìn)料傳送帶運(yùn)送到相應(yīng)位置；②1號機(jī)器人抓手打開，抓取1號殼體后關(guān)閉；③ 2號殼體進(jìn)入相同的位置，2號機(jī)器人抓手打開，抓取2號殼體后關(guān)閉；④ 進(jìn)入機(jī)械加工工藝流程，1號機(jī)床、2號機(jī)床、3號機(jī)床依次完成相關(guān)工序的加工；⑤ 1號機(jī)器人抓手打開，然后2號機(jī)器人抓手打開，出料。在進(jìn)料口和出料口由傳感器控制實(shí)現(xiàn)兩端的限位功能。由于工藝流程需要，在2號機(jī)床與3號機(jī)床中間設(shè)置中轉(zhuǎn)臺裝置，結(jié)構(gòu)為臺階型的V形塊，用于殼體的掉頭裝夾[3]，即當(dāng)工件在2號機(jī)床加工完成，工業(yè)機(jī)器人將殼體取出后，借助中轉(zhuǎn)臺裝置換夾殼體另一端。兩個殼體經(jīng)過三臺機(jī)床的依次加工后，通過工業(yè)機(jī)器人的準(zhǔn)確放置由出料傳送帶送出。

▲圖1 生產(chǎn)線平面示意圖

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高生產(chǎn)效率，采用雙工位非標(biāo)夾具設(shè)計(jì)機(jī)器人抓手。殼體進(jìn)入機(jī)床前，機(jī)器人先將未加工殼體夾持在1號工位上，然后旋轉(zhuǎn)180°，使用2號工位抓取另一個未加工殼體，待兩個殼體全部抓取完畢后，進(jìn)入機(jī)床加工系統(tǒng)。

氣壓傳動系統(tǒng)由過濾器、減壓閥、單向閥、電磁換向閥、儲氣罐等元件組成。為滿足加工不同型號殼體的裝夾需求，抓手不直接安裝在機(jī)器人上，而是通過快換接頭連接。壓縮空氣利用四通連接管分為三條氣路，其中兩條氣路分別用于控制兩個抓手打開和關(guān)閉，第三條氣路用于控制快換接頭連接與斷開。由三位五通電磁換向閥控制抓手氣缸的換向[4]。電磁換向閥線圈A得電后，壓縮空氣進(jìn)入兩個夾持氣缸的右腔，推動活塞桿向左運(yùn)動，夾緊殼體。反之，電磁換向閥線圈B得電后，活塞桿向右運(yùn)動，在彈簧力作用下松開殼體。

機(jī)器人抓手的轉(zhuǎn)動由電磁換向閥、齒條、齒輪和轉(zhuǎn)動軸共同完成。壓縮空氣通過電磁換向閥分別進(jìn)入兩個轉(zhuǎn)動氣缸，推動活塞桿運(yùn)動。活塞推動齒條運(yùn)動，齒條再帶動齒輪和轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)抓手的轉(zhuǎn)動。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)上下料機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及項(xiàng)目實(shí)施的具體原理，通過示教器模擬設(shè)計(jì)控制要求和運(yùn)動動作，進(jìn)而設(shè)計(jì)人機(jī)界面，編制梯形圖，將人機(jī)界面導(dǎo)入觸摸屏，并將梯形圖導(dǎo)入PLC[5]。觸摸屏與PLC相連，操作者控制觸摸屏，觸摸屏控制PLC動作，PLC根據(jù)程序向執(zhí)行件發(fā)送信號，控制執(zhí)行件的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門殼體生產(chǎn)線的運(yùn)行。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC通過數(shù)字或模擬輸入輸出信號控制整個機(jī)械生產(chǎn)過程。選擇三菱L02CPU型PLC作為工業(yè)機(jī)器人的控制器，根據(jù)具體的控制要求向各個控制對象分配輸入輸出地址，并且在進(jìn)出料傳送帶上加以光電傳感器、減速器等輔助裝置。選用的三菱L02CPU型PLC具有較多的輸入輸出點(diǎn)、較強(qiáng)的模塊拓展能力、較快的運(yùn)算速度、較好的內(nèi)部集成特殊功能，內(nèi)置RS-USB、Ethernet，能夠滿足工業(yè)機(jī)器人柔性控制系統(tǒng)的需求。光電傳感器用來檢測殼體在傳送帶上的位置，然后將信號反饋給PLC，其它控制模塊包括開關(guān)、警報等[6]。PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖如圖3所示。

傳送帶由電機(jī)經(jīng)減速器拖動實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，由接觸器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)決定了傳送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，同時在上下料傳送帶的邊緣處設(shè)置傳感器，控制電機(jī)的停止。工件的定位通過設(shè)置行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，非標(biāo)機(jī)械夾具的夾緊功能通過控制電磁換向閥驅(qū)動氣缸來實(shí)現(xiàn)。

使用Gx-works2編程軟件梯形圖編輯器創(chuàng)建程序，編寫完程序之后便可以進(jìn)行相關(guān)的仿真調(diào)試。當(dāng)確認(rèn)程序無誤后，將所有程序下載至PLC[7]。在Gx-works2環(huán)境下，對控制程序進(jìn)行組合編輯后，通過電纜下載至PLC的中央處理器模塊，接通電源，運(yùn)行控制程序，觀察工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行動作符合預(yù)先的設(shè)定要求，控制電路與控制程序運(yùn)行安全可靠。PLC部分梯形圖如圖4所示。

▲圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)原理

▲圖3 PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖

▲圖4 PLC部分梯形圖

▲圖5 工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試

由于安川機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)式，因此使用示教盒可以針對處于工作原點(diǎn)的機(jī)器人，用手動按鍵示教其在今后工作中所要完成的動作。觸摸屏的主要程序包括設(shè)備初始化、界面程序、參數(shù)設(shè)置、模式選擇和系統(tǒng)管理等，作為人機(jī)界面，觸摸屏可以接收PLC操作指令，并顯示控制柜的系統(tǒng)狀態(tài)?；诎泊C(jī)器人示教器，在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行關(guān)鍵位置點(diǎn)的示教及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在手動模式進(jìn)行取料、搬運(yùn)及其它動作，最后實(shí)現(xiàn)與PLC信號交換，然后進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)而完善機(jī)器人程序[8]。通電前再次確認(rèn)各氣缸及傳感器的初始狀態(tài)，檢查機(jī)器人的硬件連接是否正確。確定無誤后通電并載入程序，根據(jù)示教好的點(diǎn)進(jìn)行程序調(diào)試[9]。工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試如圖5所示。

5 結(jié)束語

閥門殼體生產(chǎn)線經(jīng)過調(diào)試后，已實(shí)際投入生產(chǎn)使用，整條生產(chǎn)線安全平穩(wěn)運(yùn)行，能夠連續(xù)工作。這套基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的自動化上下料系統(tǒng)具有高度的自動化水平，可以大大減輕工人的勞動強(qiáng)度[10]，極大地提高了閥門殼體的加工效率。