電機端蓋自動上下料系統設計與實現

文/袁 陳（西門子電機<中國>有限公司）

一、系統改造的內容

電機端蓋自動上下料系統[1]要實現的功能主要為電機端蓋的上料、加工、加工成品的通孔檢測、加工成品的尺寸全檢和在線補刀、下料等處理工藝。使用的桁架機械手的運行速度為3m/s、1.5m/s。為了提高工件加工單元的產能，針對公司上下料系統進行了改造。硬件上的改造主要有加工中心夾具的改造、數控車床和加工中心防護門的改造、機床內部增加工件吹氣清掃裝置、機床內部增加三爪液壓卡盤工作狀態監測裝置；軟件上的改造包括桁架機械手控制系統、數控車床系統及加工中心之間信號的交換問題；安全上從設備結構、使用環境等方面去分析危險存在的可能性，進行風險分析和評估。改造成本低,改造后的系統可靠性、安全性、機床的利用率、產品合格率得到了提高，節約了勞動力，給公司帶來了可觀的經濟效益。

二、系統組成及工作原理

圖1 電機端蓋自動上下料系統三維圖

系統主要由上料倉、數控機床、下料倉、加工中心、三坐標檢測、桁架機械手及桁架機械手專用抓手等組成[2]。圖1是電機端蓋自動上下料系統三維圖。

為實現工件的精確圓周和中心定位，上料倉采用了上下分層布局和回轉式工作臺，上料時工人首先把150個工件擺放在上料倉上層工裝上，第一排為取料區。工作時，機械手從取料區抓取工件，完成機床自動上料；當取料區沒有工件時，上料倉工作臺自動轉動一個工位，將相鄰一排回轉到取料區以備抓取，有檢測裝置和定位機構來保證取料區的準確定位。

下料倉共有26個工位，每個工位可以布置12個工件，共計312個工件（還可以根據現場需要調整）。加工中心加工完畢后，機械手自動從加工中心取料，通孔檢測后將其擺放在下料倉的下料區。當下料區工位沒有工件時，該工位處于最高位，機械手放置一個工件后，下料區工位會自動下降一個工件對應的高度，保證桁架機械手一直在固定位置下料。當下料區工位工件裝滿時，下料倉自動回轉一個工位，相鄰的工位進入下料區。

桁架機械手是兩自由度XY型，最大速度為3m/s，定位精度±0.05mm，最大工件負載為20kg，給生產線保留較大后續升級空間。

桁架機械手專用抓手含2組手爪，分別用來上料和下料，通過180°轉動實現上料和下料兩個工位的切換。利用旋轉氣缸的機械限位實現工件的準確定位。為了降低外部氣壓波動對抓手工作可靠性的影響，系統設置了穩壓泵，確保抓手氣源壓力的穩定，在斷氣時也可以保證桁架機械手的安全工作。圖2是電機端蓋自動化生產線的加工工藝流程。

圖2 電機端蓋自動化生產線的加工工藝流程

圖3 PLC軟件框架

三、軟件設計

1.PLC主程序軟件設計

PLC程序開發采用西門子可編程邏輯控制程序的標準軟件博途，使用ST語言編程，結合FBD功能塊圖搭建程序框圖，PLC軟件框架如圖3所示[3]。

在圖3中，參數初始化模塊設置伺服電機的速度、加/減速度及報警時間等相關參數；上料倉控制模塊通過接收機器人信號，完成機床的自動上下料和工位自轉；下料倉通過接收機器人及觸摸屏信號，調整下料徑向工位的升降，完成輸送物料的功能和工位自轉；數控機床、加工中心通信模塊完成對工作狀態實時監控，如控制數控機床的啟停、接收機床的檢測數據、報警狀態等；桁架機械手通信模塊完成與數控機床、加工中心、上料倉、下料倉之間的數據交互，實現各子系之間的協同配合。

2.機器人主程序軟件設計

主程序采用模塊化設計，軟件流程如圖4所示[4]。

圖4 機器人軟件流程

參數初始化模塊完成手爪的初始化打開、計數的清零工作；取料模塊完成從固定工位抓取毛胚件的功能；加工模塊完成毛胚的加工的功能。數控車床完成加工后的工件的測量和補刀功能；放料模塊將加工后的工件放入下料倉。

四、系統SolidWorks運動仿真及加工方案的設計

1.運動仿真過程

SolidWorks具有零件實體建模和裝配的功能，同時也能動態約束檢查[5]。本案例中通過SolidWorks建立桁架機械手的虛擬樣機，利用motion插件進行運動仿真，模擬了桁架機械手X/Y軸的工作過程，獲得了桁架機械手在兩種速度下的運行周期，計算出了兩種速度下一個加工單元的產量。

桁架機械手的路徑有兩種，第一種路徑和第二種路徑的區別在于加工的機床不同，由于桁架機械手行駛的總長不變，所以桁架機械手的運行周期相同。本文針對第一種路徑經過1號數控機床進行運動分析。

2.方案的設計

對系統的運動分析設計了兩種方案：方案一桁架機械手的X軸和Y軸的速度為3m/s；方案二桁架機械手的X軸和Y軸的速度為1.5m/s。針對兩種方案，分別得出了桁架機械手X軸、Y軸的位移圖和速度圖（圖略）。桁架機械手的運行周期為合格加工零件的時間，可以計算出在3m/s桁架機械手的運行周期為48.8s，在1.5m/s桁架機械手的運行周期為63.5s，其運行周期均小于一個生產單元的生成周期81.3s。

3.計算結果及方案選擇

在兩種方案中，每個工作循環中桁架機械手均在等待數控車床加工完成時間，分別為32.5s和12.7s；預留給三坐標測量的測量時間分別為81.3s和80.6s；一個加工單元加工一個工件的時間均為85s；如果每個工時按照7h算，一個加工單元的產能均為296件/工時。公司目前一個加工單元的產能約為200件/工時,因此新生產線投產后兩種運行速度下的增產率均為48%。

由計算結果可知，兩種方案的最終產量相同?？紤]設備高速運行可能會帶來的安全性、可靠性、可控性和經濟性等方面的問題，方案二較方案一在實際加工中綜合性能更好。