莊志鑫

（新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 哈密 839000）

在柔性制造系統(tǒng)中，采用機(jī)器人工藝能夠產(chǎn)生巨大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其中，以機(jī)械自動(dòng)上下料系統(tǒng)尤為突出。在機(jī)械質(zhì)量不斷提高的大背景下，機(jī)械加工過程中所應(yīng)用到的自動(dòng)上下料技術(shù)也在逐步加強(qiáng)。因此，有必要加強(qiáng)對機(jī)器人上下料技術(shù)的研發(fā)合作，通過制定合理的控制時(shí)序和控制范圍，設(shè)計(jì)優(yōu)化末端手抓機(jī)，從而提高數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人之間的信息互通質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程一體化的目標(biāo)，并以最精確的方法完成上下料等各種操作。

1 背景研究

技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，尤其是在科技迅猛發(fā)展的社會(huì)環(huán)境影響下，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展愈發(fā)迅速，工業(yè)機(jī)器人的使用也愈加廣泛，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為企業(yè)提高生產(chǎn)效率不可或缺的元素[1]。隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人不僅僅具備信息化和數(shù)字化的特點(diǎn)，機(jī)器人的智能化程度也越來越高，并逐漸成為一個(gè)國家工業(yè)化水平和智能化水平高低的重要標(biāo)志[2]。在柔性制造領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)。在不斷推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)的研究過程中，逐漸興起了機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床技術(shù)的融合，該項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)不僅能夠提升工業(yè)機(jī)器人的工作精確度，而且能夠有效拓寬工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景，提高工作效率的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 GSK工業(yè)機(jī)器人特征分析

GSK 自動(dòng)化機(jī)器人在滿足現(xiàn)有工業(yè)規(guī)范的同時(shí)，具有開放性好、融合性強(qiáng)的優(yōu)勢。因此，有關(guān)研發(fā)技術(shù)人員通過在GSK 自動(dòng)化機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加元器件，從而提高了工業(yè)機(jī)器人二次開發(fā)的性能。此外，將半封閉式數(shù)控車床與GSK 自動(dòng)化機(jī)器人進(jìn)行有效結(jié)合，還可以提高整體工作效率并簡化工作流程?；诖?，通過增加自動(dòng)化器件、優(yōu)化升級機(jī)器人上下料運(yùn)動(dòng)軌跡，不但可以提高工作流程的完善度，還可以在確保數(shù)控車床與自動(dòng)化機(jī)器人建立良性互動(dòng)的前提下，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。

3 GSK機(jī)器人和數(shù)控車床的工作單元

3.1 GSK機(jī)器人的功能

GSK 機(jī)器人的操作系統(tǒng)是開放性的，其可以根據(jù)不同的使用需求不斷進(jìn)行系統(tǒng)的更新與開發(fā)，以提高機(jī)器人的使用性能[4]。并且，經(jīng)過不斷設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可以提高各種感應(yīng)元器件的靈敏性與融合性能，同時(shí)能夠與擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)高度適配，保證機(jī)器人二次開發(fā)的效果。

3.2 980T數(shù)控系統(tǒng)車床

980T 數(shù)控系統(tǒng)車床是一款應(yīng)用非常廣泛的半封閉式數(shù)控車床，既可以完成對不同回轉(zhuǎn)平面的機(jī)械加工，也能完成手動(dòng)操作和自動(dòng)化操作的加工需求。該數(shù)控車床具備更為精簡的程序設(shè)計(jì)機(jī)制，所采用的程序格式更為簡潔，操作界面也更為友善。因此，在980T 數(shù)控系統(tǒng)車床的技術(shù)基礎(chǔ)上，以更科學(xué)的方法引進(jìn)GSK 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的可操作性，將二者的技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可以促進(jìn)我國自動(dòng)加工業(yè)的蓬勃發(fā)展[5]。

3.3 工作流程

上下料單元包括工業(yè)機(jī)器人一臺(tái)、數(shù)控車床兩個(gè)、料盤和物料箱各一個(gè)。在加工過程中，機(jī)器人和數(shù)控車床之間是主動(dòng)和從動(dòng)的關(guān)系，機(jī)器人負(fù)責(zé)發(fā)出指令，并將工作指令傳送給數(shù)控車床，從而對液壓盤進(jìn)行控制[6]。料盤通過接近開關(guān)檢測工位上是否有工件，并通過底部電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，料盤會(huì)根據(jù)已輸入的指令自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定工位。物料箱的主要用途是放置已經(jīng)加工完成的工件。

機(jī)器人的末端執(zhí)行器可以根據(jù)被抓工件的尺寸進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，自動(dòng)上下料系統(tǒng)中機(jī)器人的工作流程如下：

1）機(jī)器人抓取待加工工件。機(jī)器人末端執(zhí)行器由待機(jī)位置移動(dòng)至取料位置一側(cè)，末端執(zhí)行器松開，接收信號(hào)后移動(dòng)至取料位置，末端執(zhí)行器夾緊，移動(dòng)至待機(jī)位置。

2）機(jī)器人抓取工件上料。機(jī)器人在待機(jī)位置，將夾有工件的末端執(zhí)行器移動(dòng)至數(shù)控車床的安全門前方，機(jī)器人將手部移動(dòng)到卡盤的正前方，緩慢移動(dòng)至卡盤內(nèi)，末端執(zhí)行器松開工件，車床接收信號(hào)將卡盤夾緊，機(jī)器人再緩慢移動(dòng)至卡盤前位防護(hù)門前，最后移動(dòng)至待機(jī)位置，數(shù)控車床開始加工工件。

3）機(jī)器人抓取工件下料。機(jī)器人在待機(jī)位置，移動(dòng)至車床防護(hù)門前方，再將手部移動(dòng)至卡盤的正前方，緩慢移動(dòng)至卡盤內(nèi)，末端執(zhí)行器夾緊，數(shù)控車床接收到讓卡盤松開的信號(hào)，這時(shí)機(jī)器人將末端執(zhí)行器移動(dòng)至卡盤前方，再緩慢移動(dòng)至防護(hù)門，機(jī)器人將加工好的工件移動(dòng)至物料箱。

4 綜合應(yīng)用流程分析

4.1 車削工序

在工業(yè)機(jī)器人上料的工作流程中，最基礎(chǔ)的是車削工序，在實(shí)際工程項(xiàng)目操作流程中，需要同時(shí)切削大量的加工部件并小批量生產(chǎn)，這就要求在技術(shù)過程與操作工序之間形成比較合理的控制架構(gòu)，從而保證控制架構(gòu)在機(jī)械運(yùn)行過程中的穩(wěn)定，并有效提升制成品的品質(zhì)[7]。中碳鋼是工業(yè)加工過程中使用最廣泛的加工材料，其加工過程相對比較復(fù)雜。在切削工序?qū)嶋H操作時(shí)，需要對基本元素的內(nèi)部螺絲扣等重要內(nèi)控工作結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中處理，并且需要對外圓柱體和外錐體面等重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行深度剖析與管理，以保證整個(gè)作業(yè)過程都符合實(shí)際的工藝技術(shù)要求，以此保證車床架構(gòu)的合理性。此外，工業(yè)機(jī)器人的上料技術(shù)與數(shù)控車床組合加工技術(shù)的融合，大大提高了切削加工的能力，從而使機(jī)械制造效率和品質(zhì)都得到了有效提升，最終實(shí)現(xiàn)了制造業(yè)整體綜合水平的提高。

4.2 拓展功能

4.2.1 加工設(shè)備布置

為確保機(jī)器人的工作效率，對機(jī)器人進(jìn)行合理布局也非常重要。目前，常見的機(jī)器人布局可以劃分為兩類：其一是機(jī)器人與數(shù)控車床一一對應(yīng)的類型，其二是機(jī)器人與數(shù)控車床一對二的類型。第一種方式設(shè)備布置的緊湊度比較好，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，工作人員需要根據(jù)實(shí)際需要選擇效率高、貼合度強(qiáng)的布局方式。

4.2.2 機(jī)器人末端工具設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，我國常見的工業(yè)機(jī)器人末端工具一般是氣動(dòng)工具、傳感器以及機(jī)械部件等三大類型。其中，機(jī)械部件包括固定爪、滑動(dòng)爪、壓力傳感以及底板等。在對機(jī)器人末端單元進(jìn)行設(shè)計(jì)研究時(shí)，要充分考慮驅(qū)動(dòng)、傳感器和機(jī)械單元等。此外，機(jī)器人末端的裝夾要求底板在自動(dòng)化機(jī)器人的前后端實(shí)現(xiàn)良好的銜接工作，通過兩臺(tái)氣缸完成對手爪的控制，同時(shí)在氣缸上增加一套機(jī)械感應(yīng)器系統(tǒng)，可以用來完成對抓手位置的檢查，從而判斷它是放松還是夾緊。在兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械協(xié)助下，就能夠?qū)崿F(xiàn)對毛坯、半成品和最終工件的抓起動(dòng)作，整個(gè)操作過程效率高，所需時(shí)間也較少。

4.2.3 人員拓展能力

在機(jī)器人工作過程中，人員必須對不同階段的作業(yè)目標(biāo)加以集成管理，從而有效提高控制結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目管理的效能。首先，人員必須對加工設(shè)備的裝置架構(gòu)和流程架構(gòu)進(jìn)行集中布局。一方面，通過集中布局的單臺(tái)人工智能服務(wù)結(jié)構(gòu)，只保障了單臺(tái)數(shù)控車床的高效工作。另一方面，通過合理布局單臺(tái)人工智能服務(wù)于兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了工作效率的整體優(yōu)化。其次，在對機(jī)器人技術(shù)末端設(shè)備實(shí)施選型的工作過程中，操作人員需要根據(jù)不同的需求選擇恰當(dāng)?shù)募庸すぞ?，從而達(dá)到提高效率的目的。最后，在建立工作流程的過程中，要充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)和優(yōu)勢。例如，在工業(yè)機(jī)器人利用氣缸傳感器對手抓工作進(jìn)行區(qū)分管控的過程中，可以建立實(shí)時(shí)監(jiān)督和管理框架，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和機(jī)動(dòng)處理功能[8]。

4.3 通信功能

在工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床系統(tǒng)二者之間搭建高效的通信系統(tǒng)，能夠保證整個(gè)工作系統(tǒng)信息控制的有效性和準(zhǔn)確性，從而保證信息控制的安全可靠，并且實(shí)現(xiàn)信息交互方式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要相適應(yīng)?，F(xiàn)階段，國家在構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人與上料工藝和數(shù)控車床制造技術(shù)等綜合應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人通信功能模塊的方案中，已普遍采用了I/O 通信體系。一方面，可從技術(shù)方面增強(qiáng)整個(gè)控制系統(tǒng)的信息傳輸有效性；另一方面，通過屏蔽信號(hào)電纜，可以把工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床系統(tǒng)連接到一起，從而形成高效的處理體系，確保PLC 處理器與數(shù)據(jù)之間的連接能得到有效的優(yōu)化處理。同時(shí)，憑借屏蔽導(dǎo)線的擊穿功能，可以使信息交流的實(shí)際效率和信息傳輸質(zhì)量得到有效提高。此外，在應(yīng)用軟件的選擇方面，應(yīng)確保采用GSK 人工智能專用管理軟件，通過高效的數(shù)據(jù)處理與收集機(jī)制，對工業(yè)機(jī)器人上料工藝和數(shù)控車床制造工藝中綜合運(yùn)用的人員信息資料等重要信息進(jìn)行集中采集，保證程序的高效運(yùn)行，促進(jìn)二者之間建立良性的協(xié)同機(jī)制，提高工作效率，并促進(jìn)服務(wù)質(zhì)量的提升[9]。

4.4 運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

以先進(jìn)數(shù)控車床加工技術(shù)為基礎(chǔ)，整合工業(yè)機(jī)器人的上料技能，通過這樣的加工方法能夠豐富工業(yè)機(jī)器人的功能領(lǐng)域。除此之外，還能夠?qū)φw工作架構(gòu)做出更進(jìn)一步的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)綜合分析和控制的功能，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加符合實(shí)際工作要求，不論是總體的工作軌跡，還是項(xiàng)目發(fā)展需求都可以和工程參數(shù)保持相互和諧的狀態(tài)[10]。想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，還必須對工作軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，具體內(nèi)容主要有：

1）對工件的實(shí)際特性進(jìn)行深入研究，并在此基礎(chǔ)上制定出可行的生產(chǎn)管理策略，同時(shí)對工業(yè)機(jī)器人上料工藝和數(shù)控車床工藝進(jìn)行全面控制，并進(jìn)一步調(diào)整工作軌道上的數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性運(yùn)行軌道的優(yōu)化中，技術(shù)人員必須統(tǒng)籌考量企業(yè)現(xiàn)實(shí)需要和技術(shù)基礎(chǔ)兩部分因素，所生成的運(yùn)行結(jié)構(gòu)要和現(xiàn)實(shí)需要一致，生成的運(yùn)行軌道應(yīng)具備規(guī)范化特征，這也將成為提高控制效率的根本手段。

2）管理人員在這個(gè)階段中應(yīng)該充分發(fā)揮其積極作用，根據(jù)運(yùn)行軌跡逐步完善邏輯框架圖，保證工作的平穩(wěn)運(yùn)行。

3）管理人員需對信息技術(shù)和管理數(shù)據(jù)這兩個(gè)層面進(jìn)行整合研究分析，全面提高管控架構(gòu)的整體性，并對管理機(jī)制進(jìn)行參數(shù)解構(gòu)優(yōu)化，從而提升總體執(zhí)行效益。

4）還需建立一個(gè)完備的程序架構(gòu)，并設(shè)置一定的規(guī)范，提高程序的時(shí)序度和功能性。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對自動(dòng)化、智能化、信息化的需求越來越廣泛，要求也越來越高。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的研發(fā)需要對整個(gè)工作流程和操作參數(shù)進(jìn)行控制，保證機(jī)械作業(yè)過程操作體系的整體性，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路以及工作體系的框架結(jié)構(gòu)，充分利用智能化和自動(dòng)化技術(shù)，不斷提高工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用水平，使工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品在符合現(xiàn)實(shí)需要的同時(shí)符合產(chǎn)業(yè)需要。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展為工業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力，也推動(dòng)了機(jī)器人行業(yè)的進(jìn)步，同時(shí)助推了機(jī)械智能化發(fā)展，助力了我國制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。