自動(dòng)化加工工作站系統(tǒng)集成方法研究

陳 成，王 銳

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214028）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)越來(lái)越朝著智能的方向發(fā)展。目前，衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的制造業(yè)先進(jìn)程度的第一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為制造業(yè)中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。智能制造產(chǎn)業(yè)近年來(lái)得到了蓬勃發(fā)展，在機(jī)器人科技上表現(xiàn)尤甚。為了滿足數(shù)控機(jī)床技術(shù)和加工過(guò)程中的加工機(jī)械零件的裝卸和安裝要求，數(shù)控車床和上下料機(jī)械手、工作站線路集成、工作站加工一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床技術(shù)的機(jī)械化和自動(dòng)化[1]。

1 自動(dòng)化加工工作站的組成

1.1 搬運(yùn)上下料機(jī)器人

川崎RS010N操作系統(tǒng)的上下料機(jī)器人高速、性能強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器人，所有小型和中型工業(yè)機(jī)器人都有基本的標(biāo)準(zhǔn)，就是所謂的R系列機(jī)器人。R系列機(jī)器人的設(shè)計(jì)非常緊湊，機(jī)器人的工作速度在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)也是遙遙領(lǐng)先，其可應(yīng)用范圍非常廣泛。在工業(yè)制造中，機(jī)械手可以代替普工在惡劣、危險(xiǎn)的情況下從事長(zhǎng)時(shí)間的、冗雜的重復(fù)的工作。在原子彈、核能產(chǎn)業(yè)，在機(jī)械加工、鍛模、冷處理、熱處理、電焊、噴涂、沖壓等工序中，機(jī)械手可以代替人工在危害人類健康的環(huán)境下上下料或者操作流程。機(jī)械手上安裝一個(gè)爪子就可以提拉重物，加上焊條就能用來(lái)電焊，加上刷子就能刷漆，在機(jī)械制造的沖壓、熱處理、涂裝等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用，很適合大型勞動(dòng)密集型企業(yè)，根據(jù)用戶需要計(jì)劃制造完整的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.2 數(shù)控車床

作為一種半封閉式的數(shù)控機(jī)床，西門子980TC3數(shù)控車床可適應(yīng)不同的機(jī)械加工方式，可以對(duì)不同回轉(zhuǎn)面的小部件進(jìn)行加工，自動(dòng)和手工均可。980TC3數(shù)控系統(tǒng)全新的人機(jī)交互界面，可以大幅度提高工廠的加工速度，確保產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。它具有易用、友好和美觀、連接更加方便、編程更加簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。

2 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床的協(xié)調(diào)工作要求

要保證機(jī)器人在數(shù)控車床加工時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤及時(shí)地上下料，須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）考慮數(shù)控車床加工零件的車削工藝流程。

（2）設(shè)計(jì)出符合工業(yè)機(jī)器人手抓。

（3）操作等方式加工出零件實(shí)物并調(diào)試工作站操作系統(tǒng)功能。

（4）使得數(shù)控車床與機(jī)器人的I/O通信。

3 具體實(shí)施過(guò)程

3.1 工件數(shù)控車削工藝分析

如圖1所示，所加工的零件由圓柱構(gòu)成，選用材料為45#，Φ30 mm×100 mm，在數(shù)控車床上加工，需要進(jìn)行兩次裝夾。現(xiàn)將工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)及數(shù)控車床加工技術(shù)組合應(yīng)用，以自動(dòng)上下料的方式加工此工件，提高加工效率[2]。

圖1 加工件零件圖

3.2 川崎機(jī)器人的工作單元功能

3.2.1 加工設(shè)備布置

上下料設(shè)備的兩種結(jié)構(gòu)：①一臺(tái)機(jī)器人為兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床服務(wù)；②一臺(tái)機(jī)器人為一臺(tái)數(shù)控機(jī)床服務(wù)。鑒于第二種的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較緊湊，所以，在設(shè)計(jì)中選用第二種結(jié)構(gòu)。自動(dòng)上下料工作過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)上下料工作過(guò)程示意圖

3.2.2 機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)要求

（1）手爪設(shè)計(jì)和選用首先要思考的是什么樣的零件要被抓握。因而，必需充分考慮零件的幾何外形、機(jī)械特征。

（2）物料的傳送裝置和貯存裝置與合作的零件傳送裝置和貯存裝置對(duì)手爪抓鉗距離的最大值和最小值以及必要的鉗子抓力都有要求。同時(shí)，應(yīng)該大概清楚其他外部因素對(duì)手爪的影響。

（3）一般情況下，手腕和工業(yè)機(jī)器人相配套的手爪通過(guò)法蘭式機(jī)械手爪進(jìn)行連接。機(jī)械臂的負(fù)荷量中包含了機(jī)械手爪的重量，這兩個(gè)問(wèn)題必需認(rèn)真的思考。機(jī)械手爪是可以更換的，機(jī)械手爪所抓的物體可以不同，但是接口必須匹配，因此，取零件的接口和手腕的機(jī)械借口尺寸必須一致。產(chǎn)業(yè)機(jī)器人一次能抓取的重量是機(jī)器人能承載的重量減去手爪的重量，所以，手爪的重量切記過(guò)重。必須和機(jī)器人能擔(dān)負(fù)的總重量相匹配。

（4）工業(yè)機(jī)器人的工作條件。機(jī)器人工作區(qū)間內(nèi)的環(huán)境對(duì)機(jī)器人的運(yùn)作影響很大。油、濕、高溫和低溫的環(huán)境都會(huì)對(duì)機(jī)械手手部工作產(chǎn)生影響。機(jī)器人想要在高溫鍛造爐里取出鍛造的物件，必須保證其機(jī)械手能在高溫條件下正常的開合和運(yùn)作。

3.2.3 機(jī)械夾持式末端執(zhí)行器

機(jī)器人手抓擁有一個(gè)自由度，所抓取物品可以是圓柱形，如水杯或圓柱形零件。根據(jù)機(jī)器人抓取零件的直徑從而得到范圍是20～40 mm；機(jī)器人手抓在操作任務(wù)時(shí)手臂的長(zhǎng)度決定運(yùn)動(dòng)空間的大小，所以機(jī)械手伸出長(zhǎng)度取80 mm；包括抓取物體在內(nèi)的總質(zhì)量為2.225 kg，如圖3所示。

圖3 末端執(zhí)行器示意圖

3.3 機(jī)器人與數(shù)控車床通訊分配

為了更好地協(xié)調(diào)機(jī)器人和數(shù)控車床的工作就必須建立機(jī)器人和機(jī)床之間的安全和可靠的通信機(jī)制。通過(guò)I/O通訊模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硬件方面，兩者之間的PLC處理器有相應(yīng)輸入和輸出點(diǎn)由一個(gè)屏蔽信號(hào)電纜連接，所述屏蔽電纜可以保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。該軟件使用川崎特定機(jī)器人應(yīng)用軟件來(lái)制備，根據(jù)機(jī)床和機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)編寫相應(yīng)的控制程序，并最終達(dá)到數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人之間的有效通信實(shí)現(xiàn)模塊化自動(dòng)運(yùn)行[3]，數(shù)控車床I/O分配表如表1所示，PLC電氣原理圖如圖4所示。

表1 數(shù)控車床I/O分配表

圖4 P L C電氣原理圖

4 組合應(yīng)用實(shí)例工藝流程

綜上所述，總結(jié)工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)及數(shù)控車床加工技術(shù)組合應(yīng)用工藝流程如下框圖5所示。

圖5 組合應(yīng)用工藝流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)于無(wú)人化和降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，模塊化的自動(dòng)裝載和卸載柔性制造系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，特別是柔性車削中心、加工中心、車削和銑削中心，需要高的速度和工件的精確定位，尤其是高速的要求。工業(yè)機(jī)器人裝載和卸載機(jī)構(gòu)配備在數(shù)控車床中，實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)裝載和自動(dòng)卸載。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，集成了通信、氣動(dòng)、傳感器檢測(cè)、機(jī)械機(jī)構(gòu)和數(shù)值控制功能。它結(jié)合了機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的功能，簡(jiǎn)化了數(shù)控機(jī)床的操作模式，提高數(shù)控機(jī)床的操作安全性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。裝載、卸載和自動(dòng)處理緊密連接，從而大大提高了工作效率，具有良好的推廣價(jià)值。