余易，李波，，朱文利，時(shí)光，潘軍松

(1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖北襄陽(yáng) 441053;2.襄陽(yáng)華中科技大學(xué)先進(jìn)制造工程研究院技術(shù)中心,湖北襄陽(yáng) 441053)

0 前言

隨著市場(chǎng)個(gè)性化和競(jìng)爭(zhēng)加劇，零件制造不僅需滿(mǎn)足精度、高效的生產(chǎn)需求，同時(shí)又要適應(yīng)市場(chǎng)多樣性、產(chǎn)品經(jīng)常更新?lián)Q代的特點(diǎn)。柔性化是現(xiàn)代生產(chǎn)制造的重要特點(diǎn)[1]。為滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的柔性化要求，需設(shè)計(jì)相應(yīng)功能的機(jī)電一體化裝備，其中自動(dòng)裝夾系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料與裝夾的關(guān)鍵設(shè)備。自動(dòng)裝夾系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、柔性?shī)A具的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和零件質(zhì)量影響甚大。

文獻(xiàn)[2]對(duì)夾具進(jìn)行有限元分析，找出了夾具剛度和強(qiáng)度的薄弱處，并對(duì)它進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，提高了零件加工精度。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建工件-夾具數(shù)學(xué)模型，采用解析法定量?jī)?yōu)化夾緊力，降低工件由于接觸區(qū)域變形而帶來(lái)的加工誤差。文獻(xiàn)[4]利用有限元法來(lái)預(yù)測(cè)夾具系統(tǒng)中工件變形。文獻(xiàn)[5]利用PLC控制高速空氣開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)了一個(gè)夾緊力可控的柔性?shī)A具。文獻(xiàn)[6-8]利用PLC控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾，使夾具柔性化、智能化。文獻(xiàn)[9]研發(fā)出四倍速機(jī)械手對(duì)零件進(jìn)行取放與搬運(yùn)，上下料精度高，但不具備夾緊功能。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)在二維空間里移動(dòng)的桁架機(jī)器人，僅對(duì)零件上下料，柔性化低。

但現(xiàn)有研究中，自動(dòng)裝夾系統(tǒng)大多服務(wù)于特定機(jī)床、固定形狀的零件，不適合柔性機(jī)加產(chǎn)線(xiàn)，大部分采用工人手動(dòng)裝夾，柔性自動(dòng)化水平低。針對(duì)上述問(wèn)題，根據(jù)加工零件的工藝要求，開(kāi)展了面向柔性機(jī)加產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)裝夾系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)了三軸龍門(mén)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、自動(dòng)抓取機(jī)械手、自動(dòng)擰緊機(jī)械手，并采用IPC-200軟PLC進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制與邏輯控制，子母工裝滿(mǎn)足了多個(gè)零件柔性加工的需要，自動(dòng)擰緊可實(shí)現(xiàn)裝夾過(guò)程的無(wú)人化。

1 自動(dòng)裝夾系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 零件品種與工藝要求

柔性產(chǎn)線(xiàn)需要加工零件品種包括腔體、后蓋板、盒體、底板等，圖1所示為部分產(chǎn)品示意。不同品種零件加工工藝存在共性，由精銑外形、精銑型腔、鉆孔、翻面等工序組成，工藝流程如圖2所示。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足多產(chǎn)品裝配柔性化，系統(tǒng)采用子母工裝的方式，實(shí)現(xiàn)不同工件快速換裝。為實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)夾緊，采用具有扭力測(cè)量的自動(dòng)擰緊機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式測(cè)算不同零件裝夾過(guò)程的擰緊力，在裝夾過(guò)程中，針對(duì)零件類(lèi)別，調(diào)用控制程序，實(shí)現(xiàn)擰緊過(guò)程的無(wú)人化。

裝夾系統(tǒng)主要包括以下部分：

(1)三軸龍門(mén)式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由3個(gè)互相垂直安裝的伺服電機(jī)組成，起支撐作用并提供X、Y、Z3個(gè)方向平移運(yùn)動(dòng)；

(2)2個(gè)末端執(zhí)行器，包括自動(dòng)抓取機(jī)械手、自動(dòng)擰緊機(jī)械手，抓取機(jī)械手對(duì)工件進(jìn)行抓取搬運(yùn)，擰緊機(jī)械手對(duì)夾具上的螺母進(jìn)行擰緊；

(3)一套夾具控制系統(tǒng)，包括數(shù)套柔性隨行夾具(子工裝)、零點(diǎn)定位系統(tǒng)(母工裝)，以及對(duì)夾具與零點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行控制的氣動(dòng)系統(tǒng)。母工裝與機(jī)床工作臺(tái)固聯(lián)，保持零件加工零點(diǎn)不變，為子工裝提供快速切換功能；子工裝與工件一起組成隨行夾具，對(duì)不同品種零件進(jìn)行定位與夾緊。自動(dòng)裝夾系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

1.3 設(shè)備選型及要求

表1為自動(dòng)裝夾系統(tǒng)的主要部件。

表1 主要部件選型

自動(dòng)擰緊機(jī)實(shí)物如圖4所示，外部軟PLC通過(guò)I/O口控制自動(dòng)擰緊機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)擰緊，并基于RS232C通信口進(jìn)行扭力值、轉(zhuǎn)角值、時(shí)間消耗等數(shù)據(jù)輸出，針腳 6/7/8 輸出停止、作業(yè)中、單步完成、發(fā)生錯(cuò)誤、合格、不合格等待輸入等狀態(tài)。

自動(dòng)擰緊機(jī)信號(hào)說(shuō)明表如表2所示。

表2 自動(dòng)擰緊機(jī)信號(hào)說(shuō)明

圖5所示為嵌入式軟PLC控制系統(tǒng)實(shí)物，包括IPC-200及I/O模塊。IPC-200承擔(dān)著采集信息、運(yùn)動(dòng)與邏輯控制、中間網(wǎng)關(guān)等功能，具有統(tǒng)一獨(dú)立的編程環(huán)境，基于IEC 61131-3與PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范開(kāi)發(fā)。

2 裝夾系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)裝夾系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

為解決多品種工件裝夾，需要解決工件抓取搬運(yùn)以及工件定位夾緊問(wèn)題。

(1)抓取搬運(yùn)問(wèn)題。設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)抓取機(jī)械手，完成零件在夾具和AGV上的裝夾與拆卸。

(2)工件定位夾緊問(wèn)題。設(shè)計(jì)柔性隨行夾具，以工件底面和兩側(cè)面作為定位基準(zhǔn)進(jìn)行定位，以自動(dòng)擰緊機(jī)械手為擰緊動(dòng)力源，通過(guò)螺紋傳動(dòng)、楔塊夾緊機(jī)構(gòu)，把擰緊機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成水平運(yùn)動(dòng)，形成水平推力，夾緊工件。

自動(dòng)裝夾系統(tǒng)由上料機(jī)機(jī)臺(tái)、導(dǎo)向板、導(dǎo)向板支架、電批組件、抓取機(jī)械手、轉(zhuǎn)盤(pán)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、氣缸、伺服電機(jī)等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2 執(zhí)行器三維設(shè)計(jì)

2.2.1 自動(dòng)抓取機(jī)械手

為適應(yīng)工件在尺寸與形狀上的差異化抓取，設(shè)計(jì)如圖7所示的自動(dòng)抓取執(zhí)行器，安裝在移動(dòng)Z軸立柱左側(cè)，主要由伺服電機(jī)、同步輪與同步帶、安裝同步帶上的皮帶壓塊、與工件直接接觸的夾爪、擋塊和行程開(kāi)關(guān)組成。

控制夾爪開(kāi)合程度以適應(yīng)不同規(guī)格的工件，左右爪以相同速度扣底方式對(duì)工件進(jìn)行取放，保證抓取的穩(wěn)定性。

2.2.2 自動(dòng)擰緊機(jī)械手

為解決不同工件在加工時(shí)需要不同擰緊扭矩問(wèn)題，設(shè)計(jì)如圖8(a)所示的自動(dòng)擰緊機(jī)械手，安裝在移動(dòng)Z軸立柱右側(cè)，主要由一套自動(dòng)擰緊機(jī)、伸縮壓桿、氣缸組成。自動(dòng)擰緊機(jī)與伸縮壓桿同在一個(gè)L連接板上，L連接板與氣缸固連，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)擰緊機(jī)與柔性?shī)A具擰緊螺母同軸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擰緊。

圖8(b)為快插式供氣機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)檢測(cè)柔性?shī)A具氣密性。通過(guò)氣密性檢測(cè)，可判斷工件在柔性?shī)A具上是否放平、擰緊是否牢靠等問(wèn)題，并及時(shí)報(bào)警。

2.3 柔性?shī)A具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決不同零件、不同機(jī)床間的柔性換裝問(wèn)題，構(gòu)造高精度氣動(dòng)零點(diǎn)定位系統(tǒng)與柔性隨行夾具。零點(diǎn)定位系統(tǒng)由零點(diǎn)定位拉釘、零點(diǎn)定位器組成[11]。柔性隨行夾具由通用基準(zhǔn)板、專(zhuān)用夾具組成?；鶞?zhǔn)板底部安裝統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定位拉釘，其上部安裝不同種類(lèi)的夾具。每一品種工件對(duì)應(yīng)一套專(zhuān)用夾具，以適應(yīng)不同工件的裝夾。

如圖9卡瓣工裝所示，銷(xiāo)釘、基準(zhǔn)側(cè)夾具為定位部件，側(cè)推夾具為夾緊部件，以圖示尺寸進(jìn)行夾具安裝，完成卡瓣裝夾。

夾緊部件結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力和扭矩通過(guò)螺紋傳動(dòng)傳遞給主動(dòng)斜楔，在鏡面滑軌上推動(dòng)滑塊，壓緊工件，并具有自鎖功能，保證夾緊的安全性。

3 裝夾系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 軟PLC控制系統(tǒng)硬件組成及架構(gòu)

針對(duì)三軸龍門(mén)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制，以IPC-200作為主站，HSV-180UD伺服驅(qū)動(dòng)器作為從站，采用EtherCAT協(xié)議進(jìn)行數(shù)字控制。IPC-200作為中間網(wǎng)關(guān)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行通信接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換。采集裝夾系統(tǒng)傳感器信息，由I/O模塊輸出端控制裝夾系統(tǒng)末端執(zhí)行器與子母工裝氣動(dòng)系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)化文本和連續(xù)功能圖2種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾系統(tǒng)功能。系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖11所示。

3.2 I/O模塊接口分配

軟PLC與硬PLC工作原理一樣，通過(guò)輸入端口采集外界信息，控制程序循環(huán)掃描處理，經(jīng)過(guò)輸出端口控制外圍器件。PLC輸入端口和輸出端口分配分別如表3、表4所示。

表3 PLC輸入端口分配

表4 PLC輸出端口分配

3.3 程序設(shè)計(jì)

IPC-200運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象為自動(dòng)擰緊機(jī)與伺服軸，邏輯控制對(duì)象為子母夾具氣缸電磁閥，共同完成自動(dòng)裝夾系統(tǒng)定位、抓取、搬運(yùn)、放置、擰緊、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作。具體控制流程如圖12所示。

3.3.1 自動(dòng)擰緊機(jī)程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擰緊，需對(duì)擰緊機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置與程序設(shè)置，圖13所示分別為擰緊機(jī)扭矩監(jiān)控界面與菜單設(shè)置界面。將擰緊作業(yè)分為多個(gè)作業(yè)步驟，每個(gè)步驟設(shè)置目標(biāo)扭矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角、時(shí)間等參數(shù)。擰緊程序流程如下：慢速導(dǎo)入螺紋，快速旋入到貼合，慢速高精度擰緊到生產(chǎn)工藝要求的扭矩值，檢驗(yàn)扭矩值。對(duì)不同工件，使用不同的擰緊扭矩，分別預(yù)設(shè)一個(gè)擰緊程序，經(jīng)由軟PLC I/O口或觸摸屏快速調(diào)用，切換擰緊扭矩。

軟PLC控制擰緊機(jī)程序如下：

I_Tighten_State0 :BOOL;//AT%IX31.0 擰緊過(guò)程狀態(tài)信號(hào)0

I_Tighten_State1 :BOOL;//AT%IX31.1 擰緊過(guò)程狀態(tài)信號(hào)1

I_Tighten_State2 :BOOL;//AT%IX31.2 擰緊過(guò)程狀態(tài)信號(hào)2

I_Count_Arrive :BOOL;//AT%IX31.3 計(jì)數(shù)到達(dá)信號(hào)

//程序選擇

CASE (iProg_Sel) OF

0:

Q_Prog_Select0:=1;

1:

Q_Prog_Select1:=1;

2:

Q_Prog_Select0:=1;

Q_Prog_Select1:=1;

//程序啟動(dòng)

IF (bStart) THEN

gMbus_Input.Tighten_Done:=0;

END_IF

//程序停止

IF (bStop) THEN

bStartCmd:= 0;

bFinished:= 1;

RETURN;

END_IF

3.3.2 伺服軸程序設(shè)計(jì)

對(duì)于伺服軸的控制，須在CoDeSys編程平臺(tái)設(shè)置EtherCAT主從站，在Device設(shè)備管理器上將IPC-200配置成EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)主站，后安裝伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)備描述文件(XML文件)，將其配置成從站，在項(xiàng)目樹(shù)調(diào)用EtherCAT_Task主程序。

伺服軸控制核心代碼如下：

IF (bStartCmd = TRUE) THEN

pAx^.rPosCmd := rPosCmd;//軸指令位置

pAx^.rSpeedCmd := rSpeedCmd;//軸指令速度

pAx^.bSetMode:= HNCAxis.Hnc_MoveAbs;

ELSEIF

pAx^.bInPosition AND pAx^.pAxis^.fActVelocity =0 AND (pAx^.pAxis^.fActPosition< (rPosCmd+0.3)) AND (pAx^.pAxis^.fActPosition> (rPosCmd-0.3)) THEN //軸移動(dòng)到位

gMbus_Output.WebCtrl_CMD := 0;//軸定位完成清總控命令

END_IF

4 裝夾系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證

利用CoDeSys可視化編程和HMI開(kāi)發(fā)套件對(duì)裝夾系統(tǒng)畫(huà)面組態(tài)，供現(xiàn)場(chǎng)操作人員啟停設(shè)備、更改指令參數(shù)，查看伺服軸坐標(biāo)位置、移動(dòng)速度等狀態(tài)信息。應(yīng)用.NET平臺(tái)C#語(yǔ)言，在上位機(jī)中建立擰緊機(jī)串口通信程序，設(shè)置串口號(hào)、波特率、站地址等相關(guān)參數(shù)，監(jiān)控?cái)Q緊機(jī)扭矩、角度等信息。圖14所示為自動(dòng)裝夾系統(tǒng)與擰緊機(jī)監(jiān)控畫(huà)面。

裝夾卡瓣夾具如圖15所示，圖16所示為自動(dòng)裝夾系統(tǒng)實(shí)物，它已在工廠(chǎng)柔性產(chǎn)線(xiàn)投入使用。實(shí)踐驗(yàn)證，自動(dòng)裝夾系統(tǒng)動(dòng)作穩(wěn)定流暢，裝夾質(zhì)量符合廠(chǎng)商要求。

5 總結(jié)

面對(duì)零件品種差異性、產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備異構(gòu)性等特點(diǎn)，以三軸龍門(mén)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為骨架，搭載抓取機(jī)械手與擰緊機(jī)械手，對(duì)零件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化抓取與擰緊，構(gòu)建子母工裝，以快換的方式提高零件裝夾效率。基于軟PLC提出控制方案，設(shè)計(jì)自動(dòng)裝夾系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與邏輯控制程序，利用軟PLC的開(kāi)放性、易通信的特點(diǎn)與機(jī)器人、AGV等異構(gòu)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通，為后續(xù)工廠(chǎng)信息化、集成化打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。