一種基于上料機械手的柔性鉆孔生產線的設計

楊振宇，黃煥生，陳麗珠

（1.中山職業技術學院，廣東中山 528400；2.廣東廣都電扶梯部件有限公司，廣東中山 528400；3.中山市奧斯精工機械科技有限公司，廣東中山 528400）

聯接板作為五金件大量使用在電梯、橋梁、機架連接等行業。聯接板上一般都有用于聯接的螺栓孔，這些孔的定位與加工，通常都是由技工操作鉆孔機床進行加工，費時費力，對某些特殊用途的聯接板，對孔的位置有很高的精度要求，人工依靠機床的單工件加工，沒有解決人工上下料、人多和現場物料堆積多的特點[1]，既不能保持最終成品的一致性，而且速度較慢，生產效率低下。

為了降低五金聯接板的加工成本，提高加工精度，提升生產效率，研制一種以五金聯接板為加工對象的全自動上料、精確定位、鉆孔加工的全自動生產線，具有重要意義。下面介紹一種基于上料機械手的柔性鉆孔生產線的設計。

1 生產線總體設計

“基于上料機械手的柔性鉆孔生產線”，能對工件物料進行“料庫檢測、推料、傳送、機械手上料、工裝夾具夾緊、工件加工”全過程。

從系統組成單元布局，采用環形加工工藝流程，如圖1所示為生產線環形結構布局。

圖1 生產線環形結構布局

1.1 生產線運行流程

工件經料庫推出后，經傳送帶向前傳送，工件被檢測到達指定位置后，停止前進，上料機械手啟動進行夾取上料與定位。鉆孔加工單元及加工平臺上的工裝夾具[2]單元位于環形的末端，這種機械構成的布局方式，節約了空間，使生產線設備布局緊湊，易于在實際應用的加工車間進行放置。

為實現鉆孔時工件的精確上料與定位，上料機械手[3]采用氣動伺服系統，同時以實現對工件加工的最大柔性，為便于生產速度的柔性，使用變頻器，并采用DA轉換和485通信的控制方式，對工件傳送線進行連續變頻調速控制。并采用運動控制模塊對步進電機進行多段速控制，以保證加工的精度。

圖2為生產線的運行工作流程及技術系統的設計構成。

圖2 生產線運行工作流程

1.2 加工的柔性

一方面，通過程序調整控制伺服機械手的定位位置，以對不同的工件進行夾送上料和定位，使生產線具備一定的柔性[4]；同時，加工單元的刀具的進給采用步進控制方式，通過運動控制器FX2N-1PG實現刀具高速進給、減速對刀、恒速加工的三段速控制，提高了加工效率和加工精度。

另一方面，通過人機界面調整加工參數，根據不同的工件材料，靈活設置進給速度，提高加工質量；除此之外，傳送線驅動電機采用變頻調速控制，并通過模數轉換和485通信，使傳送線的速度可以連續調整，通過調節傳送線的傳送速度，和調節伺服機械手的運動速度，可以調節單位時間的工件生產速度，使生產速度具備一定的柔性。

與現有自動鉆孔機相比，該設備具有如下顯著特點：

1）上料機械手采用氣動伺服機械手，極大提高了工件定位精度，同時使加工不同規格的工件成為可能。2）從工件料庫的推料、傳送、機械手上料、定位、夾緊、加工、下料，全程實現自動化，自動化程度高，大大提高了生產效率。3）人機交互采用HMI終端[5]，可以根據工件的材料不同，設置和調節加工速度，保障工件加工質量。4）在工件規格選擇、工件精確定位，加工速度，上料速度等多個方面可以進行靈活調節，大大提高了生產線的加工柔性。

2 氣動伺服控制系統的設計

為實現工件位置調整和準確定位，工件的上料機械手采用氣動伺服控制，氣動伺服控制系統可以非常方便地實現多點無極定位和調速，并可達到最佳速度和緩沖效果。與電伺服系統相比，氣動伺服控制系統具有價格低廉、速度高、結構簡單等優點，氣動伺服控制系統主要由氣缸、位移傳感器、氣動伺服閥和控制器組成[6]。圖3為生產線電氣控制系統組成框圖。

圖3 控制系統框圖

系統選用MPYE-5-1/LF型伺服閥，最大流量350 L/min，工作壓力0～1 MPa，滿腔值響應頻率100 Hz，使用無桿氣缸DGPL-25-500，缸徑25 mm，長度500 mm，伺服控制器選用SPC200，該啟動伺服定位系數設定的移動速度為0.1 m/s，定位精度達到0.1 mm。氣動伺服系統使用WinPISA_Version_4.5軟件，通過PC機進行硬件及參數的配置與編程。

由于氣動伺服控制可以實現無極定位和調速，因此，采用氣動伺服系統的機械手可以根據輸給的電信號使氣缸活塞在任意位置定位，使設備具備柔性定位功能。

3 電氣控制系統設計

為實現設備自動控制，系統采用三菱可編程控制器FX3U-64MT作為控制器，使用一個特殊模塊FX2N-1PG來實現鉆孔加工的Z軸方向進給的步進電機進行運動控制。為調節工件傳送速度，使用一個模擬量控制模塊FX0N-3A和通信模塊FX3U-485-BD，以實現傳送線的無極變頻調速，人機使用三菱GT1150-Q-C型觸摸屏，FR-D700變頻器1臺，Q2BH44MC步進驅動器1個，步進電機1個，三相電機1個，直流電機1個，FS-V11光纖傳感器1個，BEN300光電傳感器1個，接近開關1個，限位開關2個，磁性傳感器9個。如圖4所示為主程序流程圖，圖5是自動加工控制流程。

圖4 主程序流程圖

圖5 自動加工流程圖

4 結束語

如上所闡述的基于上料機械手的柔性鉆孔生產線，實現了聯接板工件的全自動上料、裝夾定位、加工與下料，解決了各機械構成模塊單元之間相互協同相互配合的問題，加工速度柔性控制、定位精度與加工精度等問題。采用氣動伺服機械手實現加工工件的自動上料，上料成功率達到100%，工件的定位精度達到0.1 mm；生產線采用變頻調速控制，并通過調節伺服機械手的運動速度以及觸摸屏調節運行參數，可以使設備樣機在工件選擇與加工速度方面具備一定柔性。

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［2］教傳艷.車床加工撥桿零件平面及鉆孔夾具設計［J］.金屬加工（冷加工），2017，11（6）：45-47.

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［5］鄉碧云.基于以太型網絡柔性組合控制的自動生產線系統研究 ［J］.機電工程技術，2014，6（6）：77-81.

［6］金勤芳.氣動伺服技術在輪胎尺寸噴涂系統中的應用［J］.制造業自動化，2008，30（10）：78-79.