電機(jī)端蓋自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/袁 陳（西門(mén)子電機(jī)<中國(guó)>有限公司）

一、系統(tǒng)改造的內(nèi)容

電機(jī)端蓋自動(dòng)上下料系統(tǒng)[1]要實(shí)現(xiàn)的功能主要為電機(jī)端蓋的上料、加工、加工成品的通孔檢測(cè)、加工成品的尺寸全檢和在線補(bǔ)刀、下料等處理工藝。使用的桁架機(jī)械手的運(yùn)行速度為3m/s、1.5m/s。為了提高工件加工單元的產(chǎn)能，針對(duì)公司上下料系統(tǒng)進(jìn)行了改造。硬件上的改造主要有加工中心夾具的改造、數(shù)控車(chē)床和加工中心防護(hù)門(mén)的改造、機(jī)床內(nèi)部增加工件吹氣清掃裝置、機(jī)床內(nèi)部增加三爪液壓卡盤(pán)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置；軟件上的改造包括桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)、數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)及加工中心之間信號(hào)的交換問(wèn)題；安全上從設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境等方面去分析危險(xiǎn)存在的可能性，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估。改造成本低,改造后的系統(tǒng)可靠性、安全性、機(jī)床的利用率、產(chǎn)品合格率得到了提高，節(jié)約了勞動(dòng)力，給公司帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

二、系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 電機(jī)端蓋自動(dòng)上下料系統(tǒng)三維圖

系統(tǒng)主要由上料倉(cāng)、數(shù)控機(jī)床、下料倉(cāng)、加工中心、三坐標(biāo)檢測(cè)、桁架機(jī)械手及桁架機(jī)械手專(zhuān)用抓手等組成[2]。圖1是電機(jī)端蓋自動(dòng)上下料系統(tǒng)三維圖。

為實(shí)現(xiàn)工件的精確圓周和中心定位，上料倉(cāng)采用了上下分層布局和回轉(zhuǎn)式工作臺(tái)，上料時(shí)工人首先把150個(gè)工件擺放在上料倉(cāng)上層工裝上，第一排為取料區(qū)。工作時(shí)，機(jī)械手從取料區(qū)抓取工件，完成機(jī)床自動(dòng)上料；當(dāng)取料區(qū)沒(méi)有工件時(shí)，上料倉(cāng)工作臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位，將相鄰一排回轉(zhuǎn)到取料區(qū)以備抓取，有檢測(cè)裝置和定位機(jī)構(gòu)來(lái)保證取料區(qū)的準(zhǔn)確定位。

下料倉(cāng)共有26個(gè)工位，每個(gè)工位可以布置12個(gè)工件，共計(jì)312個(gè)工件（還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要調(diào)整）。加工中心加工完畢后，機(jī)械手自動(dòng)從加工中心取料，通孔檢測(cè)后將其擺放在下料倉(cāng)的下料區(qū)。當(dāng)下料區(qū)工位沒(méi)有工件時(shí)，該工位處于最高位，機(jī)械手放置一個(gè)工件后，下料區(qū)工位會(huì)自動(dòng)下降一個(gè)工件對(duì)應(yīng)的高度，保證桁架機(jī)械手一直在固定位置下料。當(dāng)下料區(qū)工位工件裝滿時(shí)，下料倉(cāng)自動(dòng)回轉(zhuǎn)一個(gè)工位，相鄰的工位進(jìn)入下料區(qū)。

桁架機(jī)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(fù)載為20kg，給生產(chǎn)線保留較大后續(xù)升級(jí)空間。

桁架機(jī)械手專(zhuān)用抓手含2組手爪，分別用來(lái)上料和下料，通過(guò)180°轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上料和下料兩個(gè)工位的切換。利用旋轉(zhuǎn)氣缸的機(jī)械限位實(shí)現(xiàn)工件的準(zhǔn)確定位。為了降低外部氣壓波動(dòng)對(duì)抓手工作可靠性的影響，系統(tǒng)設(shè)置了穩(wěn)壓泵，確保抓手氣源壓力的穩(wěn)定，在斷氣時(shí)也可以保證桁架機(jī)械手的安全工作。圖2是電機(jī)端蓋自動(dòng)化生產(chǎn)線的加工工藝流程。

圖2 電機(jī)端蓋自動(dòng)化生產(chǎn)線的加工工藝流程

圖3 PLC軟件框架

三、軟件設(shè)計(jì)

1.PLC主程序軟件設(shè)計(jì)

PLC程序開(kāi)發(fā)采用西門(mén)子可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件博途，使用ST語(yǔ)言編程，結(jié)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(shù)初始化模塊設(shè)置伺服電機(jī)的速度、加/減速度及報(bào)警時(shí)間等相關(guān)參數(shù)；上料倉(cāng)控制模塊通過(guò)接收機(jī)器人信號(hào)，完成機(jī)床的自動(dòng)上下料和工位自轉(zhuǎn)；下料倉(cāng)通過(guò)接收機(jī)器人及觸摸屏信號(hào)，調(diào)整下料徑向工位的升降，完成輸送物料的功能和工位自轉(zhuǎn)；數(shù)控機(jī)床、加工中心通信模塊完成對(duì)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如控制數(shù)控機(jī)床的啟停、接收機(jī)床的檢測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)等；桁架機(jī)械手通信模塊完成與數(shù)控機(jī)床、加工中心、上料倉(cāng)、下料倉(cāng)之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)各子系之間的協(xié)同配合。

2.機(jī)器人主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件流程如圖4所示[4]。

圖4 機(jī)器人軟件流程

參數(shù)初始化模塊完成手爪的初始化打開(kāi)、計(jì)數(shù)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(shù)控車(chē)床完成加工后的工件的測(cè)量和補(bǔ)刀功能；放料模塊將加工后的工件放入下料倉(cāng)。

四、系統(tǒng)SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真及加工方案的設(shè)計(jì)

1.運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程

SolidWorks具有零件實(shí)體建模和裝配的功能，同時(shí)也能動(dòng)態(tài)約束檢查[5]。本案例中通過(guò)SolidWorks建立桁架機(jī)械手的虛擬樣機(jī)，利用motion插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，模擬了桁架機(jī)械手X/Y軸的工作過(guò)程，獲得了桁架機(jī)械手在兩種速度下的運(yùn)行周期，計(jì)算出了兩種速度下一個(gè)加工單元的產(chǎn)量。

桁架機(jī)械手的路徑有兩種，第一種路徑和第二種路徑的區(qū)別在于加工的機(jī)床不同，由于桁架機(jī)械手行駛的總長(zhǎng)不變，所以桁架機(jī)械手的運(yùn)行周期相同。本文針對(duì)第一種路徑經(jīng)過(guò)1號(hào)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

2.方案的設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析設(shè)計(jì)了兩種方案：方案一桁架機(jī)械手的X軸和Y軸的速度為3m/s；方案二桁架機(jī)械手的X軸和Y軸的速度為1.5m/s。針對(duì)兩種方案，分別得出了桁架機(jī)械手X軸、Y軸的位移圖和速度圖（圖略）。桁架機(jī)械手的運(yùn)行周期為合格加工零件的時(shí)間，可以計(jì)算出在3m/s桁架機(jī)械手的運(yùn)行周期為48.8s，在1.5m/s桁架機(jī)械手的運(yùn)行周期為63.5s，其運(yùn)行周期均小于一個(gè)生產(chǎn)單元的生成周期81.3s。

3.計(jì)算結(jié)果及方案選擇

在兩種方案中，每個(gè)工作循環(huán)中桁架機(jī)械手均在等待數(shù)控車(chē)床加工完成時(shí)間，分別為32.5s和12.7s；預(yù)留給三坐標(biāo)測(cè)量的測(cè)量時(shí)間分別為81.3s和80.6s；一個(gè)加工單元加工一個(gè)工件的時(shí)間均為85s；如果每個(gè)工時(shí)按照7h算，一個(gè)加工單元的產(chǎn)能均為296件/工時(shí)。公司目前一個(gè)加工單元的產(chǎn)能約為200件/工時(shí),因此新生產(chǎn)線投產(chǎn)后兩種運(yùn)行速度下的增產(chǎn)率均為48%。

由計(jì)算結(jié)果可知，兩種方案的最終產(chǎn)量相同。考慮設(shè)備高速運(yùn)行可能會(huì)帶來(lái)的安全性、可靠性、可控性和經(jīng)濟(jì)性等方面的問(wèn)題，方案二較方案一在實(shí)際加工中綜合性能更好。