面向柔性機加產線的自動裝夾系統研究

余易，李波，，朱文利，時光，潘軍松

(1.湖北文理學院機械工程學院,湖北襄陽 441053;2.襄陽華中科技大學先進制造工程研究院技術中心,湖北襄陽 441053)

0 前言

隨著市場個性化和競爭加劇，零件制造不僅需滿足精度、高效的生產需求，同時又要適應市場多樣性、產品經常更新換代的特點。柔性化是現代生產制造的重要特點[1]。為滿足自動化生產線的柔性化要求，需設計相應功能的機電一體化裝備，其中自動裝夾系統是實現自動上下料與裝夾的關鍵設備。自動裝夾系統的運動控制、柔性夾具的設計對產線長期工作穩定性和零件質量影響甚大。

文獻[2]對夾具進行有限元分析，找出了夾具剛度和強度的薄弱處，并對它進行拓撲優化設計，提高了零件加工精度。文獻[3]構建工件-夾具數學模型，采用解析法定量優化夾緊力，降低工件由于接觸區域變形而帶來的加工誤差。文獻[4]利用有限元法來預測夾具系統中工件變形。文獻[5]利用PLC控制高速空氣開關，設計了一個夾緊力可控的柔性夾具。文獻[6-8]利用PLC控制實現自動裝夾，使夾具柔性化、智能化。文獻[9]研發出四倍速機械手對零件進行取放與搬運，上下料精度高，但不具備夾緊功能。文獻[10]設計了一個在二維空間里移動的桁架機器人，僅對零件上下料，柔性化低。

但現有研究中，自動裝夾系統大多服務于特定機床、固定形狀的零件，不適合柔性機加產線，大部分采用工人手動裝夾，柔性自動化水平低。針對上述問題，根據加工零件的工藝要求，開展了面向柔性機加產線自動裝夾系統研究，設計了三軸龍門運動平臺、自動抓取機械手、自動擰緊機械手，并采用IPC-200軟PLC進行運動控制與邏輯控制，子母工裝滿足了多個零件柔性加工的需要，自動擰緊可實現裝夾過程的無人化。

1 自動裝夾系統整體方案設計

1.1 零件品種與工藝要求

柔性產線需要加工零件品種包括腔體、后蓋板、盒體、底板等，圖1所示為部分產品示意。不同品種零件加工工藝存在共性，由精銑外形、精銑型腔、鉆孔、翻面等工序組成，工藝流程如圖2所示。

1.2 整體方案設計

為滿足多產品裝配柔性化，系統采用子母工裝的方式，實現不同工件快速換裝。為實現工件的自動夾緊，采用具有扭力測量的自動擰緊機，通過實驗方式測算不同零件裝夾過程的擰緊力，在裝夾過程中，針對零件類別，調用控制程序，實現擰緊過程的無人化。

裝夾系統主要包括以下部分：

(1)三軸龍門式運動平臺，由3個互相垂直安裝的伺服電機組成，起支撐作用并提供X、Y、Z3個方向平移運動；

(2)2個末端執行器，包括自動抓取機械手、自動擰緊機械手，抓取機械手對工件進行抓取搬運，擰緊機械手對夾具上的螺母進行擰緊；

(3)一套夾具控制系統，包括數套柔性隨行夾具(子工裝)、零點定位系統(母工裝)，以及對夾具與零點系統進行控制的氣動系統。母工裝與機床工作臺固聯，保持零件加工零點不變，為子工裝提供快速切換功能；子工裝與工件一起組成隨行夾具，對不同品種零件進行定位與夾緊。自動裝夾系統整體設計框圖如圖3所示。

1.3 設備選型及要求

表1為自動裝夾系統的主要部件。

表1 主要部件選型

自動擰緊機實物如圖4所示，外部軟PLC通過I/O口控制自動擰緊機啟停，實現工件自動擰緊，并基于RS232C通信口進行扭力值、轉角值、時間消耗等數據輸出，針腳 6/7/8 輸出停止、作業中、單步完成、發生錯誤、合格、不合格等待輸入等狀態。

自動擰緊機信號說明表如表2所示。

表2 自動擰緊機信號說明

圖5所示為嵌入式軟PLC控制系統實物，包括IPC-200及I/O模塊。IPC-200承擔著采集信息、運動與邏輯控制、中間網關等功能，具有統一獨立的編程環境，基于IEC 61131-3與PLCopen的運動控制規范開發。

2 裝夾系統機械結構設計

2.1 自動裝夾系統整體結構

為解決多品種工件裝夾，需要解決工件抓取搬運以及工件定位夾緊問題。

(1)抓取搬運問題。設計一個自動抓取機械手，完成零件在夾具和AGV上的裝夾與拆卸。

(2)工件定位夾緊問題。設計柔性隨行夾具，以工件底面和兩側面作為定位基準進行定位，以自動擰緊機械手為擰緊動力源，通過螺紋傳動、楔塊夾緊機構，把擰緊機旋轉運動轉化成水平運動，形成水平推力，夾緊工件。

自動裝夾系統由上料機機臺、導向板、導向板支架、電批組件、抓取機械手、轉盤、翻轉機構、氣缸、伺服電機等組成，整體結構如圖6所示。

2.2 執行器三維設計

2.2.1 自動抓取機械手

為適應工件在尺寸與形狀上的差異化抓取，設計如圖7所示的自動抓取執行器，安裝在移動Z軸立柱左側，主要由伺服電機、同步輪與同步帶、安裝同步帶上的皮帶壓塊、與工件直接接觸的夾爪、擋塊和行程開關組成。

控制夾爪開合程度以適應不同規格的工件，左右爪以相同速度扣底方式對工件進行取放，保證抓取的穩定性。

2.2.2 自動擰緊機械手

為解決不同工件在加工時需要不同擰緊扭矩問題，設計如圖8(a)所示的自動擰緊機械手，安裝在移動Z軸立柱右側，主要由一套自動擰緊機、伸縮壓桿、氣缸組成。自動擰緊機與伸縮壓桿同在一個L連接板上，L連接板與氣缸固連，實現上下運動。自動擰緊機與柔性夾具擰緊螺母同軸，實現自動擰緊。

圖8(b)為快插式供氣機構，可自動檢測柔性夾具氣密性。通過氣密性檢測，可判斷工件在柔性夾具上是否放平、擰緊是否牢靠等問題，并及時報警。

2.3 柔性夾具整體結構設計

為解決不同零件、不同機床間的柔性換裝問題，構造高精度氣動零點定位系統與柔性隨行夾具。零點定位系統由零點定位拉釘、零點定位器組成[11]。柔性隨行夾具由通用基準板、專用夾具組成?；鶞拾宓撞堪惭b統一標準的定位拉釘，其上部安裝不同種類的夾具。每一品種工件對應一套專用夾具，以適應不同工件的裝夾。

如圖9卡瓣工裝所示，銷釘、基準側夾具為定位部件，側推夾具為夾緊部件，以圖示尺寸進行夾具安裝，完成卡瓣裝夾。

夾緊部件結構示意如圖10所示。電機旋轉動力和扭矩通過螺紋傳動傳遞給主動斜楔，在鏡面滑軌上推動滑塊，壓緊工件，并具有自鎖功能，保證夾緊的安全性。

3 裝夾系統控制模塊設計

3.1 軟PLC控制系統硬件組成及架構

針對三軸龍門運動平臺運動控制，以IPC-200作為主站，HSV-180UD伺服驅動器作為從站，采用EtherCAT協議進行數字控制。IPC-200作為中間網關對機器人控制系統進行通信接口與協議轉換。采集裝夾系統傳感器信息，由I/O模塊輸出端控制裝夾系統末端執行器與子母工裝氣動系統，采用結構化文本和連續功能圖2種方式實現自動裝夾系統功能。系統控制架構如圖11所示。

3.2 I/O模塊接口分配

軟PLC與硬PLC工作原理一樣，通過輸入端口采集外界信息，控制程序循環掃描處理，經過輸出端口控制外圍器件。PLC輸入端口和輸出端口分配分別如表3、表4所示。

表3 PLC輸入端口分配

表4 PLC輸出端口分配

3.3 程序設計

IPC-200運動控制對象為自動擰緊機與伺服軸，邏輯控制對象為子母夾具氣缸電磁閥，共同完成自動裝夾系統定位、抓取、搬運、放置、擰緊、翻轉等動作。具體控制流程如圖12所示。

3.3.1 自動擰緊機程序設計

為實現自動擰緊，需對擰緊機進行系統設置與程序設置，圖13所示分別為擰緊機扭矩監控界面與菜單設置界面。將擰緊作業分為多個作業步驟，每個步驟設置目標扭矩、轉速、轉向、轉角、時間等參數。擰緊程序流程如下：慢速導入螺紋，快速旋入到貼合，慢速高精度擰緊到生產工藝要求的扭矩值，檢驗扭矩值。對不同工件，使用不同的擰緊扭矩，分別預設一個擰緊程序，經由軟PLC I/O口或觸摸屏快速調用，切換擰緊扭矩。

軟PLC控制擰緊機程序如下：

I_Tighten_State0 :BOOL;//AT%IX31.0 擰緊過程狀態信號0

I_Tighten_State1 :BOOL;//AT%IX31.1 擰緊過程狀態信號1

I_Tighten_State2 :BOOL;//AT%IX31.2 擰緊過程狀態信號2

I_Count_Arrive :BOOL;//AT%IX31.3 計數到達信號

//程序選擇

CASE (iProg_Sel) OF

0:

Q_Prog_Select0:=1;

1:

Q_Prog_Select1:=1;

2:

Q_Prog_Select0:=1;

Q_Prog_Select1:=1;

//程序啟動

IF (bStart) THEN

gMbus_Input.Tighten_Done:=0;

END_IF

//程序停止

IF (bStop) THEN

bStartCmd:= 0;

bFinished:= 1;

RETURN;

END_IF

3.3.2 伺服軸程序設計

對于伺服軸的控制，須在CoDeSys編程平臺設置EtherCAT主從站，在Device設備管理器上將IPC-200配置成EtherCAT現場主站，后安裝伺服驅動器的設備描述文件(XML文件)，將其配置成從站，在項目樹調用EtherCAT_Task主程序。

伺服軸控制核心代碼如下：

IF (bStartCmd = TRUE) THEN

pAx^.rPosCmd := rPosCmd;//軸指令位置

pAx^.rSpeedCmd := rSpeedCmd;//軸指令速度

pAx^.bSetMode:= HNCAxis.Hnc_MoveAbs;

ELSEIF

pAx^.bInPosition AND pAx^.pAxis^.fActVelocity =0 AND (pAx^.pAxis^.fActPosition< (rPosCmd+0.3)) AND (pAx^.pAxis^.fActPosition> (rPosCmd-0.3)) THEN //軸移動到位

gMbus_Output.WebCtrl_CMD := 0;//軸定位完成清總控命令

END_IF

4 裝夾系統開發及驗證

利用CoDeSys可視化編程和HMI開發套件對裝夾系統畫面組態，供現場操作人員啟停設備、更改指令參數，查看伺服軸坐標位置、移動速度等狀態信息。應用.NET平臺C#語言，在上位機中建立擰緊機串口通信程序，設置串口號、波特率、站地址等相關參數，監控擰緊機扭矩、角度等信息。圖14所示為自動裝夾系統與擰緊機監控畫面。

裝夾卡瓣夾具如圖15所示，圖16所示為自動裝夾系統實物，它已在工廠柔性產線投入使用。實踐驗證，自動裝夾系統動作穩定流暢，裝夾質量符合廠商要求。

5 總結

面對零件品種差異性、產線設備異構性等特點，以三軸龍門運動平臺為骨架，搭載抓取機械手與擰緊機械手，對零件實現個性化抓取與擰緊，構建子母工裝，以快換的方式提高零件裝夾效率。基于軟PLC提出控制方案，設計自動裝夾系統運動與邏輯控制程序，利用軟PLC的開放性、易通信的特點與機器人、AGV等異構設備進行互聯互通，為后續工廠信息化、集成化打下堅實基礎。