機床上下料的自動化改造*

甘愛芬

0 引言

隨著先進(jìn)技術(shù)的普及、國家智能制造政策的推廣，企業(yè)制造系統(tǒng)自動化程度的不斷提高，中國從制造走向“智造”。尤其珠三角地區(qū)企業(yè)紛紛響應(yīng)國家號召，推廣機器換人計劃。由于精密機床的技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的人工操作已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要。機器人在機床上下料方面的應(yīng)用顯得尤其迫切。

C公司針對此次產(chǎn)線改造的產(chǎn)品為鋁材端蓋，見圖1，鋁片通過機床擠壓成型。改造前機床上下料采用傳統(tǒng)人工操作，產(chǎn)品擠壓成型周期約為5 s。以傳統(tǒng)方式進(jìn)行批量化生產(chǎn)的瓶頸在于工人連續(xù)操作一段時間后需要休息以及工人交接班需要停止生產(chǎn)，總計時間4小時。如果采用工業(yè)機器人自動上下料后的自動化改造，將實現(xiàn)機器24小時運作無間斷，生產(chǎn)效率提高16.7%。本文針對實際案例分析，提出工業(yè)機器人在智能制造方面的應(yīng)用，尤其在機床上下料方面應(yīng)大力推廣，從而為企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品品質(zhì)，提高生產(chǎn)彈性。

圖1 產(chǎn)品圖樣

1 自動化改造的設(shè)計要求

根據(jù)C公司提供的目前生產(chǎn)狀況，考慮鋁材端蓋的生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)車間的機床狀況，以及FANUC智能化機床上下料系統(tǒng)【1】應(yīng)用案例分析，提出了工業(yè)機器人代替人工完成機床上下料的自動化設(shè)計方案。本次改造，主要根據(jù)自動化系統(tǒng)的科學(xué)定義做了以下幾項設(shè)計要求：

（1）經(jīng)濟性：目前的生產(chǎn)車間機床數(shù)量300多臺，空間布置緊湊，改造必須考慮空間大小以及便利性，避免基建的重大改造造成不必要的經(jīng)濟投入；

（2）操作簡便：整個自動化系統(tǒng)的操作流程須簡單，方便，節(jié)省人力，提高效率；

（3）安全可靠：整個自動化系統(tǒng)必須保證人員的使用安全，以及制造環(huán)境的安全[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

機器人在智能化機床上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)[3]，針對機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運應(yīng)用的參考案例，提出此次系統(tǒng)的設(shè)計思路：運用工業(yè)機器人代替人工進(jìn)行機床上下料自動化生產(chǎn)，如圖2所示，本方案由1臺Fanuc機器人、自動控制柜、旋轉(zhuǎn)式入料機構(gòu)、雙層出料機構(gòu)以及2臺機床等組成，完成產(chǎn)品取件、上料、下料至輸送帶，最后由人工檢驗、裝箱。

圖2 自動化改造生產(chǎn)線

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計

在系統(tǒng)軟件構(gòu)造化技術(shù)[4]與基于PLC和CC-Link總線的工業(yè)機器人控制【5】的實現(xiàn)技術(shù)文章里，作者都充分分析與應(yīng)用機器人的軟件能力，來實現(xiàn)多臺設(shè)備聯(lián)動的功能。在本案例中，考慮到最大化利用空間以及設(shè)備使用率，提出應(yīng)用1臺機器人聯(lián)合2臺或3臺機床設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)制造，可以充分利用空間和節(jié)省機器人成本。采取3臺機床同時運作的方案，由于機器人手臂尺寸以及產(chǎn)品成型時間太短問題，無法充分利用機器人的效益，最終選擇1臺機器人配合2臺機床進(jìn)行生產(chǎn)，達(dá)到經(jīng)濟效益最大化。

產(chǎn)品成型流程如下：工人間隔4個小時更換料盤一次，機器人手臂吸取鋁盤送至機床固定工裝進(jìn)行定位擠壓加工；在加工過程中，機器人抓取鋁盤上的塑料紙放置在塑料紙盤后，吸取第二個鋁盤在第二臺機床進(jìn)行擠壓加工。第一個鋁材端蓋加工完畢后，機器人吸取產(chǎn)品放置在出料皮帶上。接著第二個生產(chǎn)完畢，重復(fù)前面的取料動作至出料皮帶。不論原料鋁盤還是成品鋁材端蓋，每個產(chǎn)品間都有一張塑料紙防止刮花。所以在每次的上料和下料動作中，都有一次的塑料紙傳遞的動作進(jìn)行重復(fù)利用。具體流程圖如圖3。

圖3 上下料流程圖

2.3 旋轉(zhuǎn)入料機構(gòu)

孫豐[6]在其雙工位旋轉(zhuǎn)取放料機構(gòu)文章中提到，特征在于機械手、定位平臺、整形平臺設(shè)置在機臺上，送料帶設(shè)置在機臺一側(cè)，包膜平臺設(shè)置在機臺另一側(cè)，雙工位吸盤設(shè)置在機械手上并隨著機械手運動而移動。根據(jù)此設(shè)計原理，在對C公司的方案設(shè)計中，如圖4所示，入料機構(gòu)采用電氣控制氣缸運動，帶動齒輪齒條進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)傳感器感應(yīng)到一組料架上的鋁盤已經(jīng)被取完，將自動旋轉(zhuǎn)到另一組料架，接著下一個生產(chǎn)動作。由于產(chǎn)品的尺寸不一，為了減少工裝夾具的制作，節(jié)省成本，由此設(shè)計出可調(diào)節(jié)式產(chǎn)品固定架。工人上料間隔時間主要根據(jù)原料每次堆放的數(shù)量來確定，即客戶批次生產(chǎn)量。這個時間目前設(shè)定為4 h，在這個時間段，工人可去進(jìn)行其他工作任務(wù)，一人多個崗位，節(jié)省人工成本。改變以前每小時更換上料架的情況。而且固定尺寸的固定架，需要制作不同的產(chǎn)品模架適應(yīng)不同尺寸產(chǎn)品需求，節(jié)省存儲空間、更換時間以及工具成本。目前僅僅通過輕松地調(diào)整固定架柱子位子就可以達(dá)到要求。而利用傳感器的功能，輕松就可實現(xiàn)自動傳送鋁盤的功能。一組料架用完，自動旋轉(zhuǎn)輸送下一組料架。此設(shè)計機構(gòu)具有定位精準(zhǔn)、性能穩(wěn)定，可大大提高工作效率。

圖4 旋轉(zhuǎn)入料機構(gòu)

2.4 手爪

為了獲得穩(wěn)定、高效的工作效率，實現(xiàn)對薄而表面光滑的金屬制品以及紙張的抓取[7]，手爪機構(gòu)設(shè)計采用具有真空吸附技術(shù)的機器人氣動手爪來搬運物料。如圖5上下料采取可手動調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行抓取，上下料手抓由3個吸盤吸料，考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性圓盤，抓取位置設(shè)計在產(chǎn)品中心，而鋁盤端蓋中間部分已加工部分沾有潤滑油，不適合吸取動作，所以設(shè)計手抓直接抓取產(chǎn)品邊緣，利用三個吸盤定位。考慮不同產(chǎn)品大小問題，設(shè)計手動調(diào)節(jié)機構(gòu)，可以實現(xiàn)一個手抓同時應(yīng)用在多個產(chǎn)品的功能，節(jié)省手抓生產(chǎn)費用與時間成本。

圖5 手抓

2.5 PLC對機床以及機器人監(jiān)管

在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要考慮自動門、機床夾具以及機床通訊改造的內(nèi)容。針對這些改造需要考慮實時監(jiān)測、互不干擾，所以設(shè)置了實時監(jiān)控模塊，采用專用監(jiān)控平臺，能夠滿足生產(chǎn)線上設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控、報警、預(yù)警，并形成完整的工位生產(chǎn)流程圖監(jiān)控。而此功能實現(xiàn)，主要采取PLC對機床與機器人的信號進(jìn)行監(jiān)控管理[8]。電氣架構(gòu)示意圖如圖6，機床與機器人信號表如圖7。

圖6 電氣架構(gòu)示意圖

圖7 機床、機器人信號表

3 結(jié)論

隨著勞動力成本的不斷增加，中國人口老齡化，需要企業(yè)不斷探索發(fā)展思路，除了拓展市場以外，更多地從內(nèi)部的管理水平提升、生產(chǎn)技術(shù)更新去降低產(chǎn)品成本。中國智造推動著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，企業(yè)創(chuàng)新能力的發(fā)展，生產(chǎn)關(guān)系將變得更加合理。工業(yè)機器人的應(yīng)用更是讓企業(yè)的生產(chǎn)有了更好的發(fā)展方向。機器換人，成為眾多企業(yè)生存下去的必要手段和發(fā)展趨勢。

本次對C公司鋁材端蓋制造工藝的自動化改造，充分發(fā)揮了精密機床的功能，結(jié)合工業(yè)機器人的優(yōu)勢，節(jié)省人力物力，大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)安全，提高企業(yè)的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。