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        自動化控制技術(shù)在機床上下料中的應(yīng)用分析

        2021-06-17 09:04:24尹文芳
        電子制作 2021年8期

        尹文芳

        (湖南中南智能裝備有限公司,湖南長沙,410117)

        0 引言

        在國家大力發(fā)展智能制造的背景下,工業(yè)機器人作為先進(jìn)裝備制造業(yè)中不可替代的重要裝備,已成為中國工業(yè)自動化技術(shù)與應(yīng)用的生力軍。隨著工業(yè)機器人與電子技術(shù)、視覺識別、無線通訊等的融合,其應(yīng)用逐步擴展到電子電氣行業(yè)、金屬制品業(yè)(包括機械)、橡膠及塑料工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域[1]。

        針對傳統(tǒng)機床加工行業(yè)加工產(chǎn)品需求量大,且品種繁多,操作人員勞動強度大,生產(chǎn)效率低,定位精度不高的缺點,具備視覺檢測功能的機器人智能加工線能夠更好地解決傳統(tǒng)機床加工制造企業(yè)招工難,產(chǎn)品加工質(zhì)量一致性差的問題,同時為傳統(tǒng)機床加工工廠建設(shè)整套的智能化、無人化的生產(chǎn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

        1 工業(yè)機器人

        工業(yè)機器人是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置,具有一定的自動性,可依靠自身的動力能源和控制能力實現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個工業(yè)領(lǐng)域之中[2]。工業(yè)機器人基本組成為肘節(jié)式6軸結(jié)構(gòu)的機器人本體,控制柜和示教控制器。在工業(yè)機器人應(yīng)用中不同的應(yīng)用場景配有不同的機器人夾具,用于完成工件的抓取和放置。

        機床上下料機器人是在數(shù)控機床上下料環(huán)節(jié)取代了人工的完成工件的自動裝卸功能。機器人夾具采用雙夾具結(jié)構(gòu),有效提升機器人搬運效率,根據(jù)不同型號的工件產(chǎn)品特點設(shè)計專用換型抓手,同時兼容多種工件產(chǎn)品的生產(chǎn),通用型強,且配置自動吹氣裝置,實現(xiàn)切削液清理和加工鐵屑清理。同時,為了滿足兼容多臺機床上下料的需求,生產(chǎn)線配備機器人直線導(dǎo)軌,在導(dǎo)軌上安裝一臺工業(yè)機器人,直線導(dǎo)軌伺服電機驅(qū)動,具有重復(fù)定位精度高,響應(yīng)速度快,運動平穩(wěn)等特點。機器人直線導(dǎo)軌采用專門設(shè)計齒輪齒條消隙機構(gòu),以適應(yīng)補償齒輪副的安裝誤差、齒輪的裝配誤差,齒輪發(fā)熱變形等因素引起的尺寸偏差,有效地提高機器人地軌(導(dǎo)軌)的使用壽命,其重復(fù)精度高達(dá)±0.03mm,數(shù)控機床上下料機器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點,主要適應(yīng)的對象大多為大批量重復(fù)性或者是工件質(zhì)量較大以及工作環(huán)境惡劣條件。

        圖1 工廠實景圖

        2 PLC控制系統(tǒng)概述

        ■2.1 可編程控制器PLC

        PLC是可編程控制器的簡稱,自20世紀(jì)60年代問世以來,由于它具有使用方便、可靠性極高、價格適中等特點,一直處于迅猛發(fā)展?fàn)顟B(tài),已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大技術(shù)(機器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和PLC技術(shù))支柱之一。PLC本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機,因此它與一般的控制機在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC的主要特點是與控制對象有更強的接口能力,也就是說,它的基本結(jié)構(gòu)主要圍繞著適宜于過程控制,即過程中數(shù)據(jù)的采集和控制信號的輸出以及數(shù)據(jù)的處理要求來進(jìn)行設(shè)計的。

        ■2.2 PLC控制系統(tǒng)性能

        在機床自動上下料生產(chǎn)線應(yīng)用中,控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心,CPU自帶編程接口,配置輸入輸出模塊及穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)采用PLC控制機床工位、液壓設(shè)備、上下料機器人、去毛刺設(shè)備、安全防護等系統(tǒng)的協(xié)同動作,系統(tǒng)帶斷電記憶保護功能,來電后可按原程序斷電點繼續(xù)作業(yè),每套系統(tǒng)與數(shù)控設(shè)備的控制系統(tǒng)對接,通過觸摸屏反映產(chǎn)品加工的實時狀態(tài),并與上位機關(guān)聯(lián)。

        圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

        ■2.3 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

        控制系統(tǒng)通過標(biāo)配的通信接口與觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)通訊,通過通訊總線方式通訊,實現(xiàn)機器人與夾具、輸送機、專機設(shè)備其它外圍設(shè)備等的聯(lián)動,并實現(xiàn)整條生產(chǎn)線之間的互聯(lián)??刂葡到y(tǒng)配視覺系統(tǒng),通過它來讀取產(chǎn)品的位置,以便機器人進(jìn)行精確的抓取動作。

        控制系統(tǒng)采用了硬接線的方式,與每臺數(shù)控機床相連??刂葡到y(tǒng)給每臺數(shù)控機床的控制信號均通過繼電器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。通過對每臺數(shù)控機床的推拉門進(jìn)行改造,實現(xiàn)其的協(xié)同全自動控制。

        圖3 視覺控制示意圖

        3 自動化控制關(guān)鍵技術(shù)

        ■3.1 視覺及測距控制

        機床上料過程中,存在不同品種工件產(chǎn)品毛坯厚度不一致使得機器人抓取位置不一致,最終導(dǎo)致工件加工厚度不合格或工件上下表面加工面平面度不合格的問題。通過采用視覺控制技術(shù),配合獨立設(shè)計伺服旋轉(zhuǎn)裝置,實現(xiàn)工件自動位置找正,同時解決機器人正確識別工件放置角度的問題,以達(dá)到準(zhǔn)確上料目標(biāo)。

        視覺控制通過相機對工件進(jìn)行拍照,圖像處理單元對工件圖片進(jìn)行處理,并將工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋給機器人,控制機器人各關(guān)節(jié)伺服電機,以實現(xiàn)工件抓??;測距系統(tǒng)測量工件底面到測距系統(tǒng)發(fā)光面面的距離,并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元將測量的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元,通過機器人實現(xiàn)工件位置補償。

        ■3.2 機器人控制系統(tǒng)及伺服控制

        伺服控制為機器人增加了行走軸和工件擺正旋轉(zhuǎn)軸兩個外部軸。該設(shè)計集成兩個伺服電機、行走導(dǎo)軌及旋轉(zhuǎn)平臺。機器人本體安裝在行走導(dǎo)軌上,伺服電機控制機器人的移動以保證其在多機床不同位置的精準(zhǔn)作業(yè);通過機器人夾具上的視覺系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺上的伺服電機配合作業(yè),完成工件的擺正或工件特征識別,及有效避免了機器人重復(fù)操作導(dǎo)致工件碰撞問題。

        ■3.3 機床協(xié)調(diào)控制

        設(shè)計采集機床自動門、輔助裝置檢測信號、機床加工信號、液壓夾具檢測等信號,并與機床控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),集中控制機床自動門、裝夾工件裝置、液壓設(shè)備及其他輔助裝置,從而實現(xiàn)機器人與機床等設(shè)備協(xié)調(diào)控制,共同完成全自動加工及上下料的工件生產(chǎn)。

        ■3.4 控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)上位管理系統(tǒng)

        PLC具有以太網(wǎng)接口,并支持TCP/IP通訊協(xié)議,可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至上位管理系統(tǒng),包括加工線計劃生產(chǎn)量,當(dāng)前生產(chǎn)總量,工件型號等。同時,所有聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)信息,如報警信息以及工作、空閑和故障狀態(tài)都可以通過PLC反饋至上位管理系統(tǒng),為加工線產(chǎn)量統(tǒng)計、故障信息統(tǒng)計和報警統(tǒng)計等提供基礎(chǔ)報表的數(shù)據(jù)支持。

        上位管理系統(tǒng)可自動從PLC獲取相關(guān)的數(shù)據(jù),保存到數(shù)據(jù)庫,然后通過服務(wù)調(diào)用信息上傳接口,把相應(yīng)的標(biāo)簽信息上傳到WMS系統(tǒng)。

        圖4 PLC與機器人控制示意圖

        4 結(jié)論

        圖5 機床協(xié)調(diào)控制流程圖

        工業(yè)機器人、視覺相機具有重復(fù)定位精度高、可靠性高、生產(chǎn)柔性化及自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢,與人工操作相比,可全天候24小時生產(chǎn),同時改善工人勞動條件,降低機加工車間重金屬對工人帶來的危害,同時能夠極大地提高工件生產(chǎn)質(zhì)量,全面提升生產(chǎn)效率,減少企業(yè)人力管理成本。

        自動化控制技術(shù)在機床上下料中的應(yīng)用,實現(xiàn)了機加產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高,保證加工件質(zhì)量的高精度與一致性,并提高了生產(chǎn)效率,降低對工人操作技術(shù)難度的要求。在國家工業(yè)智能化自動化大環(huán)境驅(qū)動下,自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用必然會推動機床上下料智能加工線的全面應(yīng)用與發(fā)展。

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