經濟型數控車床單立柱桁架機械手改造★

胡麗娜， 趙鳳英， 張紅麗

（青島城市學院， 山東 青島 266106）

引言

在“中國制造2025”“一帶一路”的大背景下，結合中國工業現狀來看，未來十年中國工業智能化領域的智能工廠分為兩種，一種是傳統的工廠轉型成智能工廠，另一種是一出生就是智能工廠。而中國大部分加工制造業中小企業智能化程度需要有很大提升，主要是經濟型數控機床的智能化改造的提升，這使得經濟型數控車床進行智能化柔性化創新改造有著重大而深遠的意義。行架式自動上下料機械手，運行速度快、壽命長、重復定位精高、夾料定位精準、機械手操作方便、產品易保養、故障率低、性價比高、是未來工廠升級改造的必要的組成設備。下面以經濟型廣州數控車床GSK980TD 進行單立柱桁架機械手改造，實現上下料自動化為例進行說明，為當前廣州數控車床GSK980TD進行智能化升級改造提供一定的技術借鑒。

1 改造方案

通過對經濟型數控車床的自動化改造，實現桁架機械手向數控車床的自動上下料。

如圖1 方案布局圖所示，該自動上下料單元由單立柱一拖一桁架機械手、廣州數控車床GSK980TDC（液壓卡盤、氣動門）、上下料倉、手爪、電控系統組成。桁架機械手共有X、Z（橫向、垂向）兩個運動軸，由伺服電機拖動齒輪在齒條上傳動，帶動機械手爪的左右和上下運動以抓取工件。系統由PLC 控制，配置觸摸屏用來設置運行參數、監控運行狀態和人機交互操作[1-2]。

圖1 方案布局圖

機械手的上下料動作及數控機床液壓卡盤的夾緊與松開由PLC 編程控制，氣動門的開啟與關閉及工件的加工過程由數控編程控制，機械手與數控機床的連接，通過機床PMC 與機械手PLC 編程制造。矩陣式料倉輸送待加工工件到上料位置，桁架機器人爪抓取待加工工件，上升右移下降至到機床卡盤位置，取下已加工完成的工件，兩氣爪自動完成位置交換，將已加工完成的工件移至下料倉位置，下放松開手爪[3-4]。

2 具體實施

2.1 經濟型數控機床系統的升級改造

廣州數控車床GSK980TD 的系統更新至廣州數控車床GSK980TDC，使數控車床的PMC 開放，具有可修改性。數控機床梯形圖修改如圖2 修改PMC 所示，將三色燈的地址改為機床端與機械手端的通訊對點，并在機床端增加M 代碼，實現機床與自動門、卡盤、機械手的交互通訊。

圖2 修改PMC

2.2 經濟型數控機床硬件的改造

手動裝夾工件的卡盤改造為液壓卡盤，用液壓缸、電機、電磁閥控制其夾緊與松開。機床夾具有自動夾緊、松開功能，在機械手系統信號的控制下實現自動夾緊、松開功能以配合上下料動作；卡盤的夾緊與松開具有位置檢測功能。卡盤松開時，工件夾持面一端的圓周和卡盤間的間隙大于1 mm。

手動防護門改造為氣動防護門，用氣缸、電磁閥控制其開啟與關閉，具有對應的電控信號用于與機械手通信。

2.3 一拖一單立柱桁架機械手及上下料倉

單立柱式全自動上、下料機械手，主要包括底座、立柱、行架（伺服電機、聯軸器、滾珠絲杠副、導軌、感應裝置，行程開關）；自動上下料系統的底座、立柱安裝在機床的左手主軸箱的一側，桁架安裝在機床的頂部，與數控車床的Z 軸平行。為了提高桁架鋼度，在橫梁上安裝小支架。機械手臂安裝在桁架上，只執行上下運動，機械手爪直接夾持工件直徑向數控車床卡盤送料，各軸單獨運行，沒有多軸累計誤差，運行速度快，壽命長重復定位精度高。矩陣式料倉運用5×6，30 工位的自動上下料物料臺，實現工件的輸送。

2.4 機械手PLC 編程

桁架機械手的 PLC 控制運用西門子S7-200SMART 編程控造，包括程序塊、料倉自動放料、料倉自動取料、手動回機械零位的運行、自動運用、坐標、手爪正擺、手爪反擺，實現機械手與機床、機械手與料倉、人機交互的操作。

人機交互觸摸屏TPC7062Ti，可以實現機械手的機械回零操作、手動模式、自動模式、啟動、停止、復位。可以手動進行氣動手爪正擺、反擺、原料夾緊、原料松開、成品夾緊、成品松開、料倉復位、I/O 監控等操作如圖3 所示。

圖3 I/O 監控界面

2.5 主要技術參數

桁架機械手實現X 軸橫向移動，Z 軸的上下移動，Y 軸料倉的移動。機械手抓取能力為2.5×2 kg，X軸移動速0～30 m/min，Z 軸移動速度為0～30 m/min，重復定位精度為±0.05 mm，傳動方式為齒輪齒條，驅動方式為伺服電機+減速機，控制系統為西門子PLC控制。現場環境要求：溫度為-10～40℃；相對濕度（RH）為20%～90%；電源為三相380 V，頻率為50 Hz；電壓波動為±10%；壓縮空氣5 kg·f/cm2（濾除油、水）；壓力波動為±10%。

3 結語

經濟型廣州數控車床GSK980TD 進行單立柱桁架機械手改造，首先是進行數控機床PMC 的升級改造，使其具有開放性，即可修改性；再次是進行數控機床液壓卡盤、防護門自動化改造；最后是桁架機械手與自動上下料倉的改造，由PLC 作為主控系統通過伺服驅動控制機械手在桁架上的移動，通過氣動系統實現機械手本身上下、伸縮與手爪的夾緊、放松運動的控制。桁架機械手適用于加工工件的搬運、裝卸，對提高經濟型數控機床加工效率具有重要意義。