張新棋，董傳杰，王磊，李廣

（北京長征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

現(xiàn)代化生產(chǎn)中對于柔性化制造的要求越來越高，企業(yè)常常希望對于批量較小但種類很多的相近類零件可以通過較少的制造單元完成生產(chǎn)，這樣可以節(jié)約制造企業(yè)的設(shè)備、人力、物料和場地，甚至可以將多品種小批量的產(chǎn)品集中到一個加工中心或者廠房內(nèi)實現(xiàn)，這就要求制造型企業(yè)不斷加快和完善自己智能制造平臺的建設(shè)。對于機(jī)加工的智能制造，目前絕大多數(shù)企業(yè)采用的都是機(jī)器人上下料的方式實現(xiàn)的，其實現(xiàn)方式可以是一個機(jī)器人對應(yīng)一臺機(jī)床，也可以是一個機(jī)器人對應(yīng)多臺機(jī)床。對于一個機(jī)器人對應(yīng)多臺機(jī)床的方式，除了機(jī)器人固定、合理分布機(jī)床布局的形式外，還可以采用地軌或桁架機(jī)器人的方式，即增加一個第七軸，使機(jī)器人可以沿第七軸移動，并在對應(yīng)的機(jī)床位置進(jìn)行上下料[1-4]。

對于一個機(jī)器人對應(yīng)一臺或多臺機(jī)床的形式，通常適用于企業(yè)內(nèi)部簡單的自動化改造，生產(chǎn)的也多是成熟的、批量化的產(chǎn)品；目前對于多品種小批量生產(chǎn)，企業(yè)應(yīng)用更多的是桁架式機(jī)械手進(jìn)行多個機(jī)床的上下料。這種方式不占用機(jī)床前面人工操作的場地，能夠有效地實現(xiàn)人工和自動切換，但實施起來通常都是根據(jù)機(jī)床的特點和布局進(jìn)行非標(biāo)定制，通用性較差。桁架形式的機(jī)械手通常不適用于機(jī)床相互位置較為擁擠或者廠房內(nèi)部高度空間較小的場合。這種形式的機(jī)械手往往裝配困難，現(xiàn)場施工的工作量很大，常常需要企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)設(shè)備的相互配合（比如天車、升降車、吊車等），生產(chǎn)過程中需要流轉(zhuǎn)設(shè)備的配合（如AGV車等），能夠兼顧的執(zhí)行單元（如清洗、測量裝置等）較少，可擴(kuò)展性差，后期維修維護(hù)也有很多的問題[5-9]。

因此，企業(yè)有時候也會采用地軌機(jī)器人的形式進(jìn)行上下料。這就需要設(shè)計一種具備安全防護(hù)能力、可擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠充分利用場內(nèi)空間的基于地軌機(jī)器人上下料的智能制造系統(tǒng)，通過上位機(jī)軟件總體控制，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的進(jìn)出料、流轉(zhuǎn)、上下料、機(jī)加工、清洗、測量等各個方面的管理。

1 產(chǎn)線設(shè)計

智能生產(chǎn)線整體布局示意圖如圖1所示。機(jī)床分為兩排相對布置在車間兩側(cè)，每一排機(jī)床后面配一條集中排屑機(jī)，將機(jī)床的廢屑通過集中排屑機(jī)的支線集中收集到其主線中，再通過集中排屑機(jī)的主線分別排到出口廢屑收集車?yán)?。中間通過護(hù)欄將地軌機(jī)器人、托盤庫、清洗烘干機(jī)、三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房包圍并與外部隔離起來，僅通過進(jìn)出料平臺將裝夾好工件的托盤或生產(chǎn)完成產(chǎn)品的托盤進(jìn)行線內(nèi)外的傳送。進(jìn)出料操作平臺示意圖如圖2所示。

圖1 智能生產(chǎn)線整體布局示意圖

圖2 進(jìn)出料操作平臺示意圖

護(hù)欄包括兩側(cè)的手動門和對應(yīng)機(jī)床的自動門。手動門平時不開啟，當(dāng)線內(nèi)遇到特殊情況或者需要維修時，可以打開手動門進(jìn)入線內(nèi)進(jìn)行工作，此時整個生產(chǎn)線處于停止?fàn)顟B(tài)，各環(huán)節(jié)均暫停工作。護(hù)欄的自動門位置與機(jī)器人在對應(yīng)機(jī)床上下料的位置相協(xié)調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)時，自動門全部關(guān)閉，線內(nèi)設(shè)備不工作，此時可以人工操作機(jī)床；當(dāng)系統(tǒng)處于半自動狀態(tài)時，機(jī)器人和人可以共線工作，自動門為常閉狀態(tài)，機(jī)器人不會到人工操作機(jī)床的位置進(jìn)行上下料，且機(jī)器人到位后，自動門才會開啟，此時地軌機(jī)器人首先通過檢測雷達(dá)對機(jī)床前面區(qū)域進(jìn)行探測，如發(fā)現(xiàn)有多余物體則停止上下料并報警；當(dāng)系統(tǒng)處于全自動狀態(tài)時，自動門全部打開，人員不得進(jìn)入操作機(jī)床。護(hù)欄一方面起到安全防護(hù)的作用，另一方面將線內(nèi)線外區(qū)分開來，實現(xiàn)了系統(tǒng)手自切換的功能，可以增加車間內(nèi)機(jī)床的利用率。

地軌機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)的指示，除了機(jī)床上下料外，還可以將托盤從進(jìn)出料平臺取出、取回，在托盤庫里存儲托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機(jī)內(nèi)清洗，或者放到三坐標(biāo)測量儀中進(jìn)行加工后的尺寸檢測。地軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 地軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

托盤和托盤庫根據(jù)機(jī)床的特點和型號可以設(shè)計多種型式，只要保證接口統(tǒng)一即可。托盤接口應(yīng)保證托盤可以在進(jìn)出料平臺上自動定位和夾緊，并且能在機(jī)床上自動上料。在托盤流轉(zhuǎn)的過程中，可以增加工業(yè)相機(jī)或者RFID射頻模塊分別對產(chǎn)品和托盤進(jìn)行識別。托盤庫結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 托盤庫結(jié)構(gòu)示意圖

清洗烘干機(jī)具備與標(biāo)準(zhǔn)托盤相配合的放置接口，由機(jī)器人將托盤放到設(shè)備的進(jìn)出料口，進(jìn)料清洗后可以選擇是否烘干，并在清洗完成后將產(chǎn)品和托盤送出，再由機(jī)器人取走。托盤結(jié)構(gòu)及分類示意圖如圖5所示。三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房是整個系統(tǒng)的自動化測量檢驗部分，其中恒溫機(jī)房對應(yīng)地軌機(jī)器人方向設(shè)計自動開閉的窗戶，機(jī)器人從該窗口取放料。中控臺是整個系統(tǒng)的總體管理、控制和監(jiān)視的平臺，布置在線外進(jìn)出料平臺所在方向，是整個系統(tǒng)的大腦。

圖5 托盤結(jié)構(gòu)及分類示意圖

2 工作流程

在圖1、圖2所示總體布局中，機(jī)床分為兩排相對布置在車間兩側(cè)，每一排機(jī)床后面配一條集中排屑機(jī)，將機(jī)床的廢屑通過集中排屑機(jī)的支線集中收集到其主線中，再通過集中排屑機(jī)的主線分別排到出口廢屑收集車?yán)?。中間通過護(hù)欄將地軌機(jī)器人、托盤庫、清洗烘干機(jī)、三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房包圍并與外部隔離起來，僅通過進(jìn)出料平臺將裝夾好工件的托盤或生產(chǎn)完成產(chǎn)品的托盤進(jìn)行線內(nèi)外的傳送。智能生產(chǎn)線俯視圖如圖6所示。

圖6 智能生產(chǎn)線俯視圖

護(hù)欄包括兩側(cè)的手動門和對應(yīng)機(jī)床的自動門。手動門平時不開啟，當(dāng)線內(nèi)遇到特殊情況或者需要維修時，可以打開手動門進(jìn)入線內(nèi)進(jìn)行工作，此時整個生產(chǎn)線處于停止?fàn)顟B(tài)，各環(huán)節(jié)均暫停工作。護(hù)欄的自動門位置與機(jī)器人在對應(yīng)機(jī)床上下料的位置相協(xié)調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)時，自動門全部關(guān)閉，線內(nèi)設(shè)備不工作，此時可以人工操作機(jī)床；當(dāng)系統(tǒng)處于半自動狀態(tài)時，機(jī)器人和人可以共線工作，自動門為常閉狀態(tài)，機(jī)器人不會到人工操作機(jī)床的位置進(jìn)行上下料，且機(jī)器人到位后，自動門才會開啟，此時地軌機(jī)器人首先通過檢測雷達(dá)對機(jī)床前面區(qū)域進(jìn)行探測，如發(fā)現(xiàn)有多余物體則停止上下料并報警；當(dāng)系統(tǒng)處于全自動狀態(tài)時，自動門全部打開，人員不得進(jìn)入操作機(jī)床。護(hù)欄一方面起到安全防護(hù)的作用，另一方面將線內(nèi)線外區(qū)分開來，實現(xiàn)了系統(tǒng)手自切換的功能，可以增加車間內(nèi)機(jī)床的利用率。地軌機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)的指示，除了機(jī)床上下料外，還可以將托盤從進(jìn)出料平臺取出、取回，在托盤庫里存儲托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機(jī)內(nèi)清洗，或者放到三坐標(biāo)測量儀中進(jìn)行加工后的尺寸檢測。三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房是整個系統(tǒng)的自動化測量檢驗部分，其中恒溫機(jī)房對應(yīng)地軌機(jī)器人方向設(shè)計自動開閉的窗戶，機(jī)器人從該窗口取放料。中控臺是整個系統(tǒng)的總體管理、控制和監(jiān)視的平臺，布置在線外進(jìn)出料平臺所在方向，是整個系統(tǒng)的大腦。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

3 操作系統(tǒng)

通過對柔性單元的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)改造預(yù)期將達(dá)到3個目的，對機(jī)床組網(wǎng)通信實現(xiàn)程序上傳下載，組態(tài)軟件的安裝實現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集和運行狀態(tài)的監(jiān)控，對機(jī)床內(nèi)置控制器的改造實現(xiàn)機(jī)床的遠(yuǎn)程控制，與機(jī)器人的協(xié)同[10]。

PLC作為主控系統(tǒng)可實現(xiàn)各設(shè)備間的實時通信。觸摸屏在進(jìn)出料平臺外側(cè)，操作員可通過觸摸屏調(diào)用程序指令、觀察設(shè)備狀態(tài)。操作員將工件定位在進(jìn)出料平臺的托盤上，機(jī)器人抓取此處含有工件的托盤，然后依據(jù)程序配方自動送入相應(yīng)機(jī)床，加工完畢后機(jī)器人將工件放入清洗機(jī)清洗后緩存至托盤物料庫中。系統(tǒng)具備托盤存儲管理和狀態(tài)監(jiān)控等功能，所有工件可通過機(jī)器人中轉(zhuǎn)實現(xiàn)自動加工、清洗、測量，顯著減輕勞動強(qiáng)度。程序及通信示意圖如圖8所示，托盤存儲示意圖如圖9所示，狀態(tài)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖8 程序及通信示意圖

圖9 托盤存儲示意圖

圖10 狀態(tài)監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語

本設(shè)計以較為經(jīng)濟(jì)的成本和布局方式實現(xiàn)了車銑混合、靈活可控的多品種小批量泵殼產(chǎn)品的智能制造。該設(shè)計使用地軌機(jī)器人完成對托盤的進(jìn)出料、庫管理、機(jī)床上下料、自動清洗和測量，結(jié)構(gòu)簡單，可實施性高，兼容性強(qiáng)，可以通過機(jī)器人的不同動作合成形成不同的功能單元，便于后期上位機(jī)智能排產(chǎn)的設(shè)計。本設(shè)計通過自動門護(hù)欄實現(xiàn)線外防護(hù)，可以實現(xiàn)手動、半自動和全自動的快速切換，同時設(shè)計了多種接口統(tǒng)一的托盤結(jié)構(gòu)，可以同時兼顧車銑兩種不同切削方式的多種型號機(jī)床的自動化加工，整個系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)可以配置清洗、烘干、測量等多種設(shè)備，可以實現(xiàn)產(chǎn)品從毛坯到成品的全生命周期制造。系統(tǒng)應(yīng)用實物圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)應(yīng)用實物圖