機(jī)器人上下料物流系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床加工中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

欒京東 馬 琪 郭明儒 鮑 諾 劉德亮

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機(jī)器人上下料物流系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床加工中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

欒京東 馬 琪 郭明儒 鮑 諾 劉德亮

（北京航天控制儀器研究所，北京 100854）

針對數(shù)控加工，采用工業(yè)六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)上下料，通過AGV實(shí)現(xiàn)物流在各工位之間的自動(dòng)周轉(zhuǎn)，并詳細(xì)分析了設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)和研究了相關(guān)通信接口和控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中取得不錯(cuò)效果，提高了生產(chǎn)效率。

智能制造；數(shù)控機(jī)床；工業(yè)機(jī)器人；物流周轉(zhuǎn)；自動(dòng)上下料

1 引言

隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人作為制造中的主要自動(dòng)化裝備在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如汽車、電子手機(jī)等行業(yè)[1]。航天制造是個(gè)系統(tǒng)工程，其生產(chǎn)具有“多品種、小批量及精度高”的特點(diǎn)，在一些型號產(chǎn)品生產(chǎn)中，自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用較少，缺乏數(shù)據(jù)的數(shù)字化管控。

針對實(shí)際情況，本文主要針對數(shù)控加工設(shè)備，采用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套柔性的智能制造生產(chǎn)單元，旨在解決機(jī)加行業(yè)存在的人力成本較高、產(chǎn)品一致性不好、設(shè)備利用率低等問題。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 總體架構(gòu)圖

工藝布局和現(xiàn)代物流是提高企業(yè)現(xiàn)場管理能力水平、提升對外形象的重點(diǎn)工作。根據(jù)柔性制造的生產(chǎn)模式，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

該方案由三層架構(gòu)：設(shè)備層、控制層和軟件層，設(shè)備層主要由各類數(shù)控機(jī)床、上下料機(jī)器人、測量機(jī)、AGV、智能貨柜及其它傳感設(shè)備組成；控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各設(shè)備層的集成，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與生產(chǎn)線上各設(shè)備之間的通信，主要包括通信、數(shù)據(jù)采集工作和設(shè)備監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的各設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)交互和狀態(tài)監(jiān)視；軟件層主要是MES，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃排產(chǎn)，指令下達(dá)、完工情況等。

3 柔性制造單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)床組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)對于最新的CNC系統(tǒng)，一般內(nèi)置以太網(wǎng)接口，通過數(shù)控系統(tǒng)廠家提供的相關(guān)服務(wù)軟件，可進(jìn)行底層數(shù)據(jù)軟件的二次開發(fā)工作，連接到局域網(wǎng)然后通過調(diào)用功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)訪問CNC，讀取數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)信息，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)的目的[2，3]。

通過對柔性單元的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)改造預(yù)期將達(dá)到三個(gè)目的，對機(jī)床組網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)程序上傳下載，組態(tài)軟件的安裝實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，對機(jī)床內(nèi)置控制器的改造實(shí)現(xiàn)機(jī)床的遠(yuǎn)程控制，與機(jī)器人的協(xié)同。

3.2 機(jī)器人上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 工業(yè)六軸機(jī)器人集成

圖2 機(jī)器人上下料三維圖

上下料機(jī)器人集成方案擬采用一臺(tái)固定工業(yè)六軸機(jī)器人服務(wù)一臺(tái)車床和一臺(tái)銑床、AGV接駁臺(tái)的上下料以及清洗機(jī)，兩臺(tái)AGV小車進(jìn)行物料的周轉(zhuǎn)和傳送。上下料工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量只需三個(gè)，而且充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的智能化，且機(jī)器人位置固定，其控制和定位精度較高，固定在兩個(gè)車床之間的上下料機(jī)器人，具有安全防護(hù)傳感器，在人接近時(shí)可減速甚至停止操作，三維效果如圖2所示。

圖3 機(jī)器人上下料設(shè)計(jì)流程圖

上位機(jī)接受上料指令，且泊位檢測到托板后，機(jī)械手抓取托盤給機(jī)床上料。機(jī)械手進(jìn)入機(jī)床前，機(jī)床門自動(dòng)打開且鎖定機(jī)床，機(jī)械手抓取托盤放在卡盤上，卡盤鎖緊托盤，機(jī)械手松開撤出機(jī)床，機(jī)床門關(guān)閉同時(shí)機(jī)床解鎖，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)入加工程序，啟動(dòng)加工。加工結(jié)束后，機(jī)床門打開，機(jī)械手抓取托盤。具體流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品重量及定位精度，選擇ABB 2600機(jī)器人，采用控制柜自帶DSQC652標(biāo)準(zhǔn)IO板。機(jī)器人通過交換機(jī)與上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)通信連接，機(jī)器人通過接收來自上位機(jī)的指令完成上下料等動(dòng)作。在動(dòng)作執(zhí)行過程中，IO的輸入輸出信號將貫穿其中，具體在每一步所需接收及發(fā)送的IO信號如圖4所示。

圖4 ABB2600 DSQC IO板信號接線圖

與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相關(guān)的控制及反饋信號集中于此進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度控制及信號反饋接收。這些信號包括，輸出控制信號：車床門、機(jī)械手電磁閥信號、銑床門、銑床卡盤鎖緊等信號；輸入反饋信號：銑床卡盤鎖緊狀態(tài)信號、車床卡盤鎖緊狀態(tài)信號、氣爪開到位信號、氣爪關(guān)到位信號、車床門到位傳感器信號、銑床門到位傳感器信號等。

3.2.3 定位卡具及機(jī)械手設(shè)計(jì)

在智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線中使用柔性的卡盤，具有較好的位置精度和一致性，更小的公差帶，能夠給裝配帶來便利，提高產(chǎn)品等級[4，5]，采用的定位卡盤如圖5所示。同時(shí)具有更高的效率，包括生產(chǎn)效率和換產(chǎn)效率，以及更多的機(jī)床有效加工時(shí)間。

圖5 機(jī)床定位卡盤

以批量化成熟產(chǎn)品某慣性器件結(jié)構(gòu)件為生產(chǎn)對象，為了提高加工效率，銑床托盤上擬同時(shí)放有4個(gè)零件，托盤部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 銑床托盤部分結(jié)構(gòu)示意圖

本文選用SMC公司MHL2-20D型氣缸，通過氣缸和電磁閥控制帶動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)夾取動(dòng)作。設(shè)計(jì)的氣缸和機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 AGV集成及泊位設(shè)計(jì)

3.3.1 AGV的功能簡介

基于地圖的導(dǎo)航和定位模式：傳統(tǒng)的AGV需要鋪磁條或激光反射板，而AGV只需掃描一下環(huán)境，便自動(dòng)形成地圖，基于視圖的便捷上位機(jī)軟件方便客戶選擇路徑，節(jié)省了復(fù)雜的編程。

自主避障和防碰撞：當(dāng)前方有障礙物時(shí)，其傳感器會(huì)檢測到并自主計(jì)算最佳路徑繞開障礙物前行，無需客戶編程。

3.3.2 泊位設(shè)計(jì)

圖8 泊位設(shè)計(jì)三維圖

為保證上下料機(jī)器人能夠在固定位置準(zhǔn)確地抓取工件，載板送至泊位后，通過定位錐使其具有精確的重復(fù)性定位功能。利用位置傳感器檢測泊位上是否有載板，以保證上下料機(jī)械臂能抓取工件。泊位上4個(gè)氣缸升降用于保證帶有工件載板的落位和頂起。磁性開關(guān)用于反饋氣缸動(dòng)作的到位信號，是上位機(jī)執(zhí)行下一步動(dòng)作的必要條件。設(shè)計(jì)的泊位三維圖如圖8所示。

AGV自身定位精度為10cm，不是很高；AGV小車通過增加磁條定位傳感器，定位精度可達(dá)±5mm；載板與AGV和泊位的接駁是通過定位銷來實(shí)現(xiàn)定位，錐形的定位梢結(jié)構(gòu)如圖9所示，既抵消了磁條定位傳感器的誤差，又簡單易行，可靠穩(wěn)定，重復(fù)定位精度可達(dá)0.5mm，滿足上下料機(jī)器人抓取精度要求。

圖9 定位梢結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)際應(yīng)用

設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)監(jiān)控軟件運(yùn)行界面如圖10所示。

圖10 機(jī)床監(jiān)控程序運(yùn)行界面

從圖中可以看到機(jī)床當(dāng)前運(yùn)行啟動(dòng)、絕對坐標(biāo)、負(fù)載信息及當(dāng)前正在運(yùn)行的程序及程序名，運(yùn)行模式及報(bào)警信息，該機(jī)床運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)運(yùn)行起著重要作用。

開發(fā)運(yùn)行的控制層界面如圖11所示，從運(yùn)行界面可以看出整個(gè)系統(tǒng)對上下料機(jī)器人、AGV車的啟停及動(dòng)作過程進(jìn)行全程控制和監(jiān)控，這種控制通過電磁閥、傳感器等執(zhí)行，而通過開發(fā)的控制系統(tǒng)界面展示出來。

圖11 控制系統(tǒng)運(yùn)行界面

系統(tǒng)部分實(shí)物如圖12所示，該系統(tǒng)試運(yùn)行以來，縮短工序轉(zhuǎn)換時(shí)間和機(jī)床停工時(shí)間，零件轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)現(xiàn)一鍵切換。提高機(jī)床利用率，原來5臺(tái)機(jī)床、1臺(tái)三坐標(biāo)需要6位工人，現(xiàn)在2位工人可維持柔性單元的運(yùn)行，人力成本下降為原來的40%，預(yù)計(jì)年節(jié)約人工費(fèi)用約40萬元。

圖12 機(jī)器人上下料物流系統(tǒng)部分實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)操作簡單，穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)，零件加工精度一致性好，生產(chǎn)率顯著提高，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了物流、信息流和控制流的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，解決了實(shí)際問題存在的設(shè)備利用率不高等問題。

1 孫英飛，羅愛華. 我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2012(12)：34～35

2 盧澤旭. 工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)電信息，2012(12)：49～51

3 王學(xué)良，張秋菊. 基于PLC的機(jī)械手自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國制造業(yè)信息化，2012，41(15)：59～62

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5 程智勇，李曉娟，陳華龍，等. 基于FANUC0iTD和GSK工業(yè)機(jī)器人柔性制造單元的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓，2014(11)：97～100

Design and Application of Robot Loading and Unloading Logistics System in NC Machine Tool Processing

Luan Jingdong Ma Qi Guo Mingru Bao Nuo Liu Deliang

(Beijing Aerospace Control Instrument Institute, Beijing 100854)

In this paper, the automatic loading and unloading work piece in machine tool and the automatic turnover of the logistics between the various stations were realized by the industrial six-axis robot and AGV respectively. The process was analyzed in detail, and the related communication and control systems were designed and studied. Thus, the production efficiency has been improved significantly.

intelligent manufacturing；CNC machine tools；industrial six-axis machine；logistics system；robot loading and unloading

航天科技集團(tuán)公司創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目。

欒京東（1984），博士，航空宇航制造工程專業(yè)；研究方向：精密制造裝配及數(shù)字化集成。

2017-07-11