基于智能制造單元的數控機床上下料機器人結構設計概論

彭冬偉

摘 要 近年來，我國工業領域的發展，使數控機床廣泛應用于工業領域中，從而使人逐漸從繁重的工業生產中得以解脫出來。在數控加工設備中，通過機器人與數控機床相互配合和機器人技術的應用，以此研發出智能化的數控機床上下料機器人系統，能夠極大的節約人工成本，提高生產效率。

關鍵詞 智能制作單元;數控機床;上下料機器人

把數控車床和機器人共同構成一個柔性智能制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構簡單，而且適應性強。主要通過使用上下料機器人系統與數控機床相互配合，實現所有工藝過程中的零件抓取、上料、下料、裝夾、零件移位和翻轉、零件調頭等，能夠極大的節約人工成本，提高生產效率，特別適用于大批量、小零部件的加工。

1GSK機器人特征分析

GSK機器人是完全符合我國工業標準定制的關節臂式機器人，為用戶提供了有效且開放的機器人控制平臺，針對不同項目和應用能進行有效的具象處理，實現控制系統以及拓展功能的協調運行。另外，數控機床和GSK機器人結合在一起，能實現整體工作效率和工作流程的進一步優化。在兩者進行組合的過程中，借助合適的機器人工具對上下料運動軌跡進行升級，不僅能提升工藝流程的完整度，也能在保證數控機床和機器人建立良好交流的前提下推進工業的可持續發展[1]。

2數控機床上下料機器人工作流程的設計

現以GSK1001A智能制造單元為例，GSK1001A智能制造單元是由智能制造執行系統（MES）、中央控制器、RFID技術、GSK七軸工業機器人、數控車床、加工中心、在線檢測系統、立體料倉、電子信息化看板、仿真系統等組成的。本套智能制造單元通過智能制造執行系統把下單任務傳達到中央控制器，再控制工業機器人上料給數控車床和加工中心，并由中央控制器根據生產任務訂單遠程控制數控車床、加工中心以及機器人準備就緒已載入的指定程序，實現智能制造。加工工藝流程是：工業機器人根據載入程序在自動料倉中抓取毛坯，先給數控車床上料，車床對毛坯進行切削加工，加工完成后機器人把半成品取下給加工中心上料，加工中心對半成品工件進行加工，加工完成后機器人把成品放回立體料庫。該智能制造單元能通過智能制造執行系統下任務訂單，調用不同的工件程序進行不間斷循環的智能制造，并能通過在線檢測數據自動修改刀補優化生產，加工前還能通過產線仿真平臺進行技術驗證避免出錯[2]。

3數控機床上下料機器人結構設計

以上面設計的機床上下料機器人系統工作流程為基礎，考慮到節約勞動力和實現多品種產品的加工，經過不斷改善和優化，本文研發出一款將數控機床、工業機器人、立體倉庫、RFID技術以及檢測技術進行一體化結合的智能化上下料系統，該數控機床上下料機器人能夠自主完成鏜削、車削、鉆削和銑削等多種復雜工序，從而實現對復雜零件的加工。其不僅能夠簡化計劃調度與生產管理，使上下料環節的速度大幅提高，還能合理管控產品的加工質量。除此之外，通過MES系統的工單下達與加工任務排程來對零部件進行智能化的加工與生產管控，數控機床上下料機器人還能對加工零件進行指定尺寸的在線實時檢測，并通過MES系統的輔助來管理零部件的質量以及工藝優化。根據以上研究內容，本文采用GSK七軸工業機器人的工業機器人，并將其與數控車床數控機床進行結合，同時還應用了立體倉庫、RFID技術和信息檢測技術，以此研發出能夠進行自動上下料操作的智能化工業機器人，并由自動門來替代數控機床中原有的防護門。

3.1 機器人的選型與工程流程設計

GSK七軸工業機器人的工業機器人擁有7個伺服軸，可以以任意姿態到達可達范圍中的任意一個點。作為上下工件的“搬運工”，GSK七軸工業機器人由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等幾大部分組成。本加工單元中，機器人是主動設備，機床是從動設備，機器人發出信號傳輸給數控機床，控制液壓卡盤的松開與夾緊。機器人根據要求需做出抓料、工件識別、上料、扶正、下料和翻轉倒屑等編程操作和動作調整，所有這些動作都編制相應的PLC程序儲存在機器人的控制系統中，同時機器人會根據節拍要求隨時調整動作速度。總之，機器人會根據現場實際情況進行姿態調整以滿足加工的需要。需要強調的是機器人的所有動作與機床相對獨立，沒有關聯關系。數控機床與機器人之間的聯系是通過單獨的I/O接口進行數據交換與識別。

3.2 系統控制及通訊的設計

在數控機床上下料機器人中，其控制系統主要是通過MES來完成的，同時MES系統還具備通訊功能，其通訊模式采用快速I/O模式。在硬件上，利用屏蔽信號電纜來實現機器人和數控機床之間的端子連接，并在端子中并聯相應的繼電器來達到控制液壓卡盤的目的。

3.3 部件監測及在線測量的設計

在數控機床上下料機器人中，對數控機床等設備運行狀態的監測，是利用MES系統中的設備層來進行數據采集，并通過視覺檢測系統來對工件的擺放位置等信號進行檢測，然后將信號反饋給機器人，機器人通過調整位置姿態來對工件進行抓取。最后，在智能化系統中還應用了RFID系統，通過對工件電子標簽信息的掃描，來對加工工件的尺寸進行在線測量，并按照相應的尺寸信息來對工件進行銑削、鉆銷等加工操作。

4結束語

隨著工業機器人靈巧化和智能化不斷發展，工業機器人結構越來越靈巧，控制系統愈來愈小，其智能也越來越高，其在機床領域的應用也會越來越廣泛;而伴隨數控技術日新月異的進步，數控機床的加工領域也必將越來越廣闊。將工業機器人與數控機床進行結合起來，運用了先進的自動物料輸入/輸出系統、工件自動準確定位系統、氣密檢測系統以及狀態識別、在線診斷/檢測、刀具壽命管理、破損檢測系統和加工管理系統，先進的柔性復合加工技術等多項先進技術，并通過機器人完成數控加工中心與數控車床的工序交換，實現了全線從毛坯到成品的自動化制造，將原來多道加工工序進行壓縮，達到集制造加工技術、自動化技術和信息技術于一體的柔性智能制造技術的應用。

參加文獻

[1] 陳國定.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2006：101.

[2] 孫鳳池.機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2007：57.