基于機器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線構建

李偉光 林思引

(華南理工大學機械制造及其自動化學院，廣東廣州 510641)

不銹鋼餐廚具以其美觀輕便、光潔、易于清洗、不銹蝕等優點頗受國內外消費者歡迎，已逐漸成為餐具中的主流［1］。不銹鋼廚具拉伸成型生產線主要完成取料、沖壓拉伸和卸料等工序。傳統的生產方式由人工取料，并對鋼板和模具噴油潤滑，再手動送料入沖壓機成型，最后卸料。由于工人操作的不穩定性，從而影響沖壓產品質量的穩定性。同時，加工過程涉及機械沖壓，若生產條件差，易發生工傷事故。

為了提高不銹鋼廚具生產的自動化水平，改善生產線工作環境，本文采用了基于PLC+PC控制模式的機器人系統，構建了包括設備層、控制層和管理層的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線，利用機器人、拉伸料重疊檢測裝置和沖壓機的協同工作，完成工件的自動拉伸成型。

1 不銹鋼廚具拉伸成型生產線整體介紹

現有不銹鋼廚具拉伸成型設備是沖壓機。生產線主要完成三道工序:上料、拉伸成型、下料。工人將不銹鋼板和沖壓模具噴油潤滑后，將鋼板人工送入沖壓機預定位置，然后按下沖壓按鈕并控制沖壓按鈕，沖壓拉伸完成后再由工人卸料。由于人工操作的不穩定性，造成產品質量不穩定，并且工作環境有一定的危險性，故對不銹鋼廚具拉伸成型生產線的自動化改造很有必要。本文采用自主設計的基于PLC+PC控制模式的五軸機器人替代工人操作，與拉伸料重疊檢測裝置和沖壓機構成不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線［2］，如圖1所示。機器人主要完成拉伸料和工件的搬運，重疊檢測裝置用于檢測拉伸料(鋼板)是否重疊，沖壓機主要完成沖壓拉伸成型，控制柜是整個系統的控制裝置。

2 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線構建

2.1 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線整體結構

本文構建了基于機器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線，整體結構如圖2所示。該生產線由負責生產信息管理的管理層，負責拉伸成型過程的控制層，以及設備本體構成的設備層組成。

2.2 管理層結構

基于機器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線系統中的生產信息管理系統，完成訂單管理、生產管理、工藝管理、報警管理和操作人員管理等工作，功能結構如圖3所示。

2.3 控制層結構

控制層(如圖4所示)是整個系統的核心，控制機器人與拉伸料重疊檢測裝置、沖壓機的協同工作。控制層由主PLC+從PC的主從控制模式構成。PLC負責系統的邏輯控制部分，具體包括沖壓機的信號采集、沖壓控制和順序上下料控制，拉伸料檢測裝置的信號采集，與PC進行通訊、置位標志位等。PC機實時掃描串口，當監測到主PLC發出的標志位時，通過運動控制卡控制機器人的伺服軸運動，實現機器人的插補運動控制和拉伸料吸放操作。

控制系統基于高性能PLC和PC，PLC通過RS422連接觸摸屏，PC連接顯示器和鍵盤鼠標實現信息交互，同時PLC和PC通過串口通信交換標志位。

2.4 設備層結構

設備層主要包括沖壓機、拉伸料重疊檢測裝置和機器人。各設備在控制系統的控制下協調配合，完成不銹鋼廚具拉伸成型的自動化生產。

(1)沖壓機

沖壓機是完成不銹鋼廚具沖壓拉伸成型工序的設備。不銹鋼廚具拉伸成型系統可以是一臺機器人對應多臺沖壓機，以提高生產效率。本文設計的生產線以一臺沖壓機為例。為了適應不銹鋼廚具拉伸成型生產線的自動化需要，在原有沖壓機的基礎上，進行適應性改造。主要是加裝傳感器和傳感器與PLC的連接。傳感器檢測沖壓機是否完成上料、沖壓以及下料，再將各動作信號輸入PLC輸入口。PLC輸出信號控制沖壓機入模、沖壓時間、出模等動作。

(2)拉伸料重疊檢測裝置

拉伸料重疊檢測裝置是實現機器人吸取拉伸料時鋼板是否重疊的檢測，防止多片重疊的拉伸料被同時送入模具內造成模具爆裂。由于拉伸料是光滑的不銹鋼板，且入模前表面已噴潤滑油，故鋼板有時會粘合。拉伸料重疊檢測裝置通過檢測鉗檢測機器人吸取的鋼板厚度。檢測傳感器在單片鋼片或鋼片重疊時會有不同的信號，通過判斷檢測傳感器的不同信號達到檢測拉伸料是否重疊。當機器人手爪吸取的是單片鋼板時，機器人繼續進行上料工序;當檢測到吸取的鋼片重疊時，機器人丟棄吸取的鋼片，重新吸取新的鋼片。

(3)機器人

機器人完成拉伸料在各設備間的搬運，結構如圖5所示。機器人有5個自由度，分別位于腰部、大臂、小臂、手腕和手爪，其運動由PC+運動控制卡實現。運動控制卡控制5個伺服驅動器帶動伺服電動機，從而控制機器人實現各動作和末端運動軌跡。機器人末端安裝有一執行拉伸料吸放的末端執行器，如圖6所示。該執行器采用通用化設計，主要由吸盤裝置和噴油潤滑裝置構成，實現各種規格拉伸料的吸放和潤滑。

3 不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線工作流程

基于機器人的不銹鋼拉伸成型生產線控制系統為PLC+PC控制模式，以PLC的邏輯控制為主，以PC和運動控制卡的運動控制為從。該系統設計有6種工作模式，分別為回零模式、手動模式、示教模式、自動模式、停止模式和故障模式，具體的工作模式由人工在觸摸屏上進行選擇，如圖7所示。下面分述如下:

(1)回零模式為系統上電啟動后，分別啟動機器人、沖壓機、拉伸料重疊檢測裝置，PLC進行沖壓機就緒檢測、拉伸料重疊檢測裝置狀態檢測，PC串口初始化、標志初始化、VC窗口初始化、機器人空間位置初始化(5個關節軸的回零)。若有設備出現故障或延時未能監測到信號，轉入故障模式。

(2)手動模式為人工控制操作，此處有兩種方式:在觸摸屏上操作可以使機器人執行被選擇的動作，在PC的運行界面上操作可以手動控制機器人的5個軸和氣爪單獨動作。

(3)示教模式為利用PC界面人工操作伺服軸運動，示教完成后機器人自動運行之前示教的軌跡和動作。

(4)自動模式為生產線完全在PLC和PC的控制下按生產節拍自動運作，無須人工干預。

(5)停止模式為生產線停止生產后各設備所必須進行的處理模式。

(6)故障模式為當控制系統檢測到故障信息時轉入的處理模式。

本文僅論述自動模式流程。

4 結語

本文首先介紹了不銹鋼廚具拉伸成型生產線的整體情況及設備布局，提出采用基于PLC+PC控制模式的機器人，與重疊檢測裝置和沖壓機組成自動化生產線。該生產線控制系統有生產信息管理層、邏輯和運動控制層、設備本體構成的設備層，最后介紹了生產線的6種工作模式并重點敘述了自動模式流程。本文構造的基于機器人的不銹鋼廚具拉伸成型自動生產線可以適應不銹鋼廚具的實際生產，滿足了生產線自動化的要求。

［1］紀冬.不銹鋼餐廚具出口:喜憂參半［J］.中國檢驗檢疫，2008(1):13－14.

［2］陳生翰.不銹鋼廚具拉伸成型工序機器人控制軟件與實現［D］.廣州:華南理工大學，2009:6－7.

［3］席盛代.基于PLC+PC工業控制系統的應用與發展趨勢［J］.工業控制計算機，2008，21(7).

［4］周焱森，鄧菊發，李紅.機器人在沖壓線中的應用［J］.現代零部件，2004(9):73－75.

［5］MURPHY.Introduction to AI robots［M］.Massachusetts:The MIT Press，2000.

［6］FELIX I，RAJA C，RACHID A.An architecture for dependable autonomous robots［J］.Emerging Technologies and Factory Automation，2001(2).