張江華，檀昌雅，蔣云清，包 滿

(1.南昌工學(xué)院，南昌 330108；2.江西省汽車零部件數(shù)字化制造工程實驗室，南昌 330108；3.淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院，淮北 235000；4.中山世達模型制造有限公司，中山 528400）

0 引言

制造業(yè)的長遠穩(wěn)定發(fā)展，離不開產(chǎn)品的個性化、多樣化、高精度制作、生產(chǎn)周期短、并減輕人們重復(fù)操作的體力勞動。隨著智能機器人與數(shù)控操作技術(shù)的衍生與發(fā)展，直接為機械制造實現(xiàn)智能化與自動化奠定了堅實的基礎(chǔ)[1]，而以機器人為中心的柔性制造單元，避免了一些影響機械制造精度與效率的不利因素，以及減少了因疲勞操作的失誤，能夠在一定程度上推動機械制造行業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[2]。

1 工作原理

研究采用自動料庫、抽檢平臺、I5數(shù)控車床與機器人相結(jié)合的柔性制造單元，如圖1所示，該柔性制造單元的自動料庫、機器人卡爪是按照J(rèn)C530前橋輸出軸（如圖2所示）的圖紙工藝要求進行設(shè)計的。通過一臺總控設(shè)備與機器人、自動料庫，I5數(shù)控車床、抽檢平臺之間實現(xiàn)通訊信號的交互，從而實現(xiàn)整條柔性生產(chǎn)線的智能化加工。

圖1 柔性制造單元

圖2 JC530前橋輸出軸零件圖

2 JC530 前橋輸出軸的自動加工過程規(guī)劃

根據(jù)JC530前橋輸出軸零件的圖紙工藝要求以及I5數(shù)控車床和NACHI機器人的設(shè)備性能及特點，對柔性制造單元中的自動上下料、自動抽檢、自動加工過程進行規(guī)劃，保證產(chǎn)品的批量生產(chǎn)的同時，縮短了生產(chǎn)時間、提高了產(chǎn)品質(zhì)量，自動加工過程規(guī)劃工藝流程圖，如圖3所示。

圖3 自動加工過程規(guī)劃工藝流程圖

3 數(shù)控車床與機器人通訊設(shè)計

為了使數(shù)控車床和機器人之間的信號實現(xiàn)有效通訊傳輸，使用屏蔽信號電纜將數(shù)控車床PLC中相應(yīng)的I/O點和機器人相應(yīng)的I/O點進行連接，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)每完成一個動作或運行完一段程序，數(shù)控系統(tǒng)與機器人控制器會有信號交互[3]。

4 I5 數(shù)控車床自動加工程序編制

I5數(shù)控車床系統(tǒng)，是我國獨立自主研發(fā)的系統(tǒng)，與發(fā)那科、西門子系統(tǒng)的編程方式有所不同。機器人要完成對數(shù)控車床自動上下料，并通過加工程序中的相關(guān)指令，實現(xiàn)機床與機器人之間的交互。當(dāng)數(shù)控車床執(zhí)行M22指令時，當(dāng)前氣動門已經(jīng)打開到位，機器人控制器可進行下一步動作或執(zhí)行下一段程序指令M301等待機器人信號，機器人對車床進行換料完成后便可讓機床執(zhí)行下一段指令M23，當(dāng)前氣動門已經(jīng)關(guān)閉到位，可以執(zhí)行加工程序，根據(jù)圖3的加工流程圖以及循環(huán)取料自動加工的要求，其編制的加工主程序如下：

表1 JC530前橋輸出軸加工主程序

5 機器人程序編制

按照J(rèn)C530前橋輸出軸的加工過程編制機器人相關(guān)動作程序，機器人相關(guān)動作主程序與子程序如表2所示，使用時由一個主程序調(diào)用對應(yīng)相關(guān)的子程序即可，機器人程序要適合柔性制造單元個性化、多樣化的的特點，只需要改變程序中的機器人位移點位，便夠?qū)ο嗨菩粤慵M行快速換產(chǎn)加工，能夠快速響應(yīng)市場的需求。

表2 機器人控制程序匯總表

5.1 機器人主程序

按照圖3加工流程圖的動作順序，與I5數(shù)控車床的動作順序相結(jié)合，編制機器人主程序如表3所示，首先要保證在執(zhí)行自動加工時，車床上要夾持完成工序一的半成品零件。

表3 機器人動作主程序

5.2 機器人料庫取料與放料的程序設(shè)計

機器人與數(shù)控車床相互配合，可以實現(xiàn)自動上料、加工、下料等功能[4]。根據(jù)程序指令，機器人從料倉中抓取毛坯并送至車床上加工。加工完成后，機器人將成品取出并送至料倉。

在實際生產(chǎn)過程中，機器人與自動料庫的動作分為料庫取料和料庫放料，取料程序如表4所示，取料時應(yīng)保證料庫料盤有料并且定位準(zhǔn)確，否則會造成機床換料時，毛坯材料裝夾不牢靠以至于無法正常進行加工，當(dāng)加工完成品時機器人要執(zhí)行料庫放料程序，如表5所示，完成成品的放料操作。

表4 機器人動作料庫取料程序

表5 機器人動作料庫放料

5.3 機器人機床換料程序設(shè)計

機器人卡爪主要針對JC530前橋輸出軸等軸類零件進行上下料設(shè)計，機床換料過程如圖4所示，成品爪可對零件進行掉頭自動加工，毛坯爪可更換新的毛坯進行自動加工，該設(shè)計具備換料時間短、定位準(zhǔn)精度高、運行穩(wěn)定、調(diào)試簡單、換件靈活、使用壽命長等優(yōu)點，針對機器人上述換料過程，編輯JC530前橋輸出軸零件的自動換料程序如表6所示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)機。機器人能夠快速的更換卡爪與夾具，機器人程序具備良好的通用性，只要簡單的對機器人進行點位修調(diào)，即可適用于市場大多數(shù)軸零件的使用，機器人與換料程序能夠滿足市場上不同型號的數(shù)控機床自動上下料的生產(chǎn)工藝要求。

圖4 機床換料

表6 機器人動作機床換料

5.4 機器人抽檢程序設(shè)計

機器人抽檢分為手動隨機抽檢和自動抽檢。

手動隨機抽檢：通過抽檢平臺的抽檢按鈕進行控制，總控一方面采集人工輸入抽檢信號，同時采集抽檢臺狀態(tài)反饋，通過邏輯條件判斷，后再輸出給機器人與抽檢臺，若接受到手動隨機抽檢信號，機器人開始執(zhí)行抽檢程序，如表7所示，抽檢臺前進接取機械手放下的工件，后退輸送工件進行檢測，抽檢完成后，并反饋給總控進行狀態(tài)檢測[5]。

自動抽檢：在總控平臺的生產(chǎn)管理界面可設(shè)置每間隔多少個加工零件開始自動抽檢，可實現(xiàn)定量抽檢，當(dāng)達到自動抽檢件數(shù)時抽檢平臺將抽檢信號傳遞給機器人，機器人執(zhí)行如表7所示的抽檢程序，實現(xiàn)自動等量抽檢。

表7 機器人動作抽檢放料

6 自動加工

執(zhí)行自動加工時，抽檢平臺、自動料庫、機器人與數(shù)控車床所有設(shè)備都應(yīng)處于自動加工狀態(tài)，結(jié)合數(shù)控車床加工程序與機器人控制程序，完成JC530前橋輸出軸的自動上下料加工，提高了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，緩解企業(yè)用工難的問題，同時減輕工人重復(fù)的體力勞動以及替代工人在一些對人體有害的環(huán)境下工作。

7 快速換產(chǎn)

由于柔性制造單元的特色是多樣化與個性化，所以隨著市場行情的變化經(jīng)常會發(fā)生換產(chǎn)的情況，針對此情況要根據(jù)具體的加工零件進行合理調(diào)整，加工與JC530前橋輸出軸相似的軸類零件只需要調(diào)整機器人卡爪以及料庫零件間的間距即可。

機器人卡爪調(diào)整：機器人卡爪及料庫應(yīng)根據(jù)實際零件直徑進行調(diào)整，根據(jù)設(shè)計的零件大小，對機器人的卡爪進行調(diào)整，如圖5(a)機器人卡爪所示，調(diào)節(jié)A處的牙口位置可以使機械手進行松開和夾緊，具體調(diào)整牙數(shù)根據(jù)加工零件直徑實際大小進行調(diào)整，調(diào)整時應(yīng)保證夾持力不易過緊或過松。

料庫調(diào)整：根據(jù)設(shè)計的零件大小，對料庫進行調(diào)整，如圖5(b)料庫料盤所示，調(diào)節(jié)A、B兩處的間距，調(diào)整時應(yīng)保證機器人卡爪在夾持的過程中不會產(chǎn)生碰撞且定位可靠。

圖5 機器人卡爪及料庫零件位置調(diào)整

8 結(jié)語

通過對機器人動作與數(shù)控機床自動加工的程序設(shè)計構(gòu)建了柔性制造單元的程序框架，經(jīng)試驗證明該程序結(jié)構(gòu)緊湊、合理可靠，快速換產(chǎn)時只需要調(diào)整機器人位移的點位與數(shù)控車床加工輪廓的子程序，就能夠進行快速換產(chǎn)，實現(xiàn)了市場個性化、多樣化的需求，能夠適應(yīng)市場絕大多數(shù)軸類的自動上下料加工，提高企業(yè)的市場競爭力。

以I5數(shù)控車床與NACHI機器人組成的柔性制造單元屬于小型化、柔性高、經(jīng)濟型的柔性制造系統(tǒng)，符合中小企業(yè)組織柔性化生產(chǎn)的需要。從模塊化逐步提高生產(chǎn)過程的柔性化與自動化水平看，該柔性制造單元是更為理想的自動化模塊[6]。