小型齒輪加工單元自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陸 寧，洪榮晶,2，謝 杰

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009；2. 江蘇省工業(yè)裝備數(shù)字制造及控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210009)

0 引言

采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面[1]。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)具有定位精度高、無(wú)疲勞作業(yè)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此廣泛應(yīng)用于各制造領(lǐng)域。

在小型齒輪加工過程中，大多數(shù)中小企業(yè)仍采用人工或半自動(dòng)作業(yè)，齒輪的上下料需要重復(fù)持續(xù)作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，持續(xù)作業(yè)的一致性與精準(zhǔn)性得不到保證而導(dǎo)致的齒輪質(zhì)量不合格問題也時(shí)有發(fā)生。隨著用工成本的提高及生產(chǎn)效率提升帶來的競(jìng)爭(zhēng)壓力，加工能力的自動(dòng)化程度及柔性制造能力成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提升的關(guān)鍵[3]。

本文以某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求為研究背景，從改進(jìn)小型齒輪加工過程中人工上下料存在的不足出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套小型齒輪加工單元自動(dòng)上下料系統(tǒng)。系統(tǒng)以S7-1500PLC為主控制器，綜合運(yùn)用了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及傳感器技術(shù)等，有效的實(shí)現(xiàn)了齒輪加工過程中的自動(dòng)上下料工作。降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了產(chǎn)品加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了小型齒輪的大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)方案提出

1.1 系統(tǒng)組成、布局確定

此項(xiàng)目要求機(jī)器人上下料工件為小型齒輪，如圖1所示。工件包括兩道加工工序：端面及外圓車削和輪齒加工。

圖1 工件實(shí)物圖

由工件加工工藝分析擬定采用數(shù)控車床對(duì)齒輪的端面及外圓進(jìn)行車削?？紤]到齒輪整體加工精度要求不高，且需要大批量加工，故選取滾齒的加工工藝[4]。在合理計(jì)算、規(guī)劃?rùn)C(jī)床加工時(shí)間與機(jī)器人上下料時(shí)間的前提下，本項(xiàng)目采用一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人為一臺(tái)數(shù)控車床及一臺(tái)數(shù)控滾齒機(jī)上下料的方案，輔以工件翻轉(zhuǎn)臺(tái)、工件儲(chǔ)料架等周邊設(shè)備，搭建一個(gè)小型齒輪加工單元自動(dòng)上下料系統(tǒng)。機(jī)器人選用UR10工業(yè)機(jī)器人，有效負(fù)載10kg，工作范圍可達(dá)1300mm，接口兼容大多數(shù)工業(yè)傳感器及PLC，支持以太網(wǎng)通訊；采用SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，機(jī)床卡盤與防護(hù)門均采用氣動(dòng)控制方式，且設(shè)有工作到位檢測(cè)開關(guān)。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體布局

1.2 工作過程規(guī)劃

根據(jù)加工單元技術(shù)要求及工藝特點(diǎn)，并結(jié)合加工單元結(jié)構(gòu)組成，對(duì)工作過程進(jìn)行規(guī)劃，如圖3所示。

考慮到加工單元初次工作時(shí)，數(shù)控車床內(nèi)部并無(wú)成品完成件，因此需由機(jī)器人首次取料至車床加工，待加工完成后，由翻轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行加工面更換，繼續(xù)上料數(shù)控車床，然后從毛坯儲(chǔ)料架繼續(xù)抓料。待前工件加工完成后，機(jī)器人雙手爪工作，進(jìn)行車床上下料操作，滾齒機(jī)內(nèi)部同樣無(wú)成品完成件，因此只進(jìn)行一次車削完成件的上料操作。如圖中虛線框所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制單元組成

系統(tǒng)包括數(shù)控車床、數(shù)控滾齒機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、儲(chǔ)料架、翻轉(zhuǎn)臺(tái)5個(gè)控制單元。各控制單元完成動(dòng)作后，須有相應(yīng)的動(dòng)作完成信號(hào)發(fā)出，從而通知系統(tǒng)下一步的動(dòng)作。

為保證各控制單元的正常工作順序及控制邏輯的合理性，加工單元采用西門子S7-1500系列PLC作為主控制器，統(tǒng)一接收處理各控制單元的傳輸信號(hào)，協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動(dòng)作響應(yīng)。PLC接有人機(jī)界面觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)的集中監(jiān)控。翻轉(zhuǎn)臺(tái)及儲(chǔ)料架的動(dòng)作由主控PLC控制，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床由自身集成的控制器控制，機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床控制單元采用MODBUS-TCP協(xié)議與主控PLC通訊。加工單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

2.2 通信系統(tǒng)建立

為提升系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的時(shí)效性，有效實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊連接，上下料系統(tǒng)需采用安全可靠、準(zhǔn)確快速的通訊方式[5]。

系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，將機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、主控PLC、觸摸屏、終端計(jì)算機(jī)等進(jìn)行通訊連接。其中機(jī)器人負(fù)責(zé)工件上下料示教編程，主控PLC除協(xié)調(diào)其他設(shè)備之間的信息交互，還控制翻轉(zhuǎn)臺(tái)及儲(chǔ)料架的動(dòng)作。觸摸屏用于工作狀態(tài)的監(jiān)控、提示。終端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)程序的編程與調(diào)試。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 MODBUS TCP通信協(xié)議

MODBUS-TCP通信協(xié)議是運(yùn)行在TCP/IP上的一種通信傳輸協(xié)議，利用該協(xié)議構(gòu)建的以太網(wǎng)絡(luò)具有成本低，通訊高效、穩(wěn)定，簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的有效通訊，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域[6]。本系統(tǒng)中，主控PLC、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床控制器等均集成以太網(wǎng)接口，可通過MODBUS-TCP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊連接。數(shù)據(jù)傳輸建立之前，MODBUS-TCP通信協(xié)議需確定設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，并建立MODBUS與PLC間的響應(yīng)地址，從而保證通信的正常穩(wěn)定。

2.2.2 主控PLC與機(jī)器人通訊

調(diào)用西門子TIA Portal軟件內(nèi)嵌的S7-1500 MODBUS-TCP庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)主控PLC與機(jī)器人的以太網(wǎng)通信，完成設(shè)備間的參數(shù)配置及狀態(tài)讀寫。主控PLC作為MODBUS-TCP客戶端發(fā)送讀寫請(qǐng)求，服務(wù)端機(jī)器人負(fù)責(zé)請(qǐng)求的響應(yīng)。

為保證主控PLC正確地發(fā)送和接收機(jī)器人數(shù)據(jù)，MODBUS-TCP通信必須設(shè)計(jì)好兩者之間的數(shù)據(jù)讀寫區(qū)域。通信數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位存儲(chǔ)于設(shè)備寄存器中，以字作為傳輸單位，以位為尋址單位。以PLC讀取機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)為例，通過“機(jī)器人狀態(tài)字”讀取函數(shù)，將機(jī)器人內(nèi)部輸出變量SYSTEM/DO0對(duì)應(yīng)的MODBUS地址開始的4個(gè)字，讀入主控PLC并存放在P#M3000.0開始的4字中；當(dāng)PLC發(fā)送數(shù)據(jù)至機(jī)器人時(shí)，“機(jī)器人控制字”函數(shù)工作，將P#M3100.0中的開始4個(gè)字節(jié)寫入機(jī)器人輸入變量SYSTEM/DI0對(duì)應(yīng)的MODBUS地址開始的4個(gè)字節(jié)中。主控PLC讀取和寫入機(jī)器人部分信號(hào)見表1。

表1 主控PLC讀取和寫入機(jī)器人部分信號(hào)表

IP地址分配是使用MODBUS-TCP通信的必須步驟，要保證所有設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址必須在同一網(wǎng)段內(nèi)[7-8]。利用TIA Portal為系統(tǒng)各個(gè)硬件分配IP地址，主控PLC IP地址為192.168.8.10，機(jī)器人IP地址為192.168.8.103。

明確了機(jī)器人與主控PLC之間讀寫信號(hào)及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，分配各設(shè)備IP地址后，調(diào)用“MB_CLIENT”通信指令，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)讀寫通信連接。編制的MODBUS-TCP通訊程序如圖6所示。

圖6 主控PLC與機(jī)器人通訊程序

3 機(jī)器人上下料程序設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃

圖7 機(jī)器人上下料路徑

機(jī)器人要完成在儲(chǔ)料架、數(shù)控機(jī)床、翻轉(zhuǎn)臺(tái)之間的上下料工作，移動(dòng)路徑多樣，有必要對(duì)機(jī)器人上下料運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-10]。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，利用UR機(jī)器人示教編程，規(guī)劃的機(jī)器人上下料路線圖如圖7所示。設(shè)計(jì)過程中，為減小機(jī)器人與儲(chǔ)料架、機(jī)床夾具之間的配合偏差，固定配合移動(dòng)方向，保證工件持續(xù)裝夾作業(yè)的一致性，需在機(jī)器人上下料處設(shè)置不同的TCP坐標(biāo)點(diǎn)，即建立不同的工具坐標(biāo)系。

圖中A、B兩點(diǎn)為毛坯抓取點(diǎn)與成品放置點(diǎn)，a、b為上下料的初始準(zhǔn)備位置；C、D、E分別為數(shù)控車床、翻轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控滾齒機(jī)的工件裝夾處，c、e分別為機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間上下料的初始準(zhǔn)備位置。

3.2 機(jī)器人上下料流程設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)流程圖如圖8所示。

圖8 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)流程

3.3 機(jī)器人上下料程序編程

Polyscope編程為UR機(jī)器人UI層編程方式，示教器上編輯程序，機(jī)器人執(zhí)行，編程方式簡(jiǎn)單，程序易于調(diào)試、修改。根據(jù)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃及上下料流程，編寫了機(jī)器人上下料程序。以機(jī)器人上下料數(shù)控車床運(yùn)動(dòng)程序?yàn)槔枋鋈缦?。圖9為機(jī)器人上下料數(shù)控車床現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖9 機(jī)器人上下料數(shù)控車床

......

LOOP 9 TIMES

MOVEJ Waypoint1；機(jī)器人初始位置準(zhǔn)備

Call SubProgram1：機(jī)器人抓取毛坯件子程序

Call SubProgram2：機(jī)器人上下料數(shù)控車床子程序

MOVEJ Waypoint4；機(jī)器人至車床準(zhǔn)備位置

Wait DI14=HI；等待車床加工完成信號(hào)

Wait DI6=HI；等待車床門打開到位信號(hào)

MOVEL Waypoint5；手爪2至卡盤右側(cè)5CM處

MOVEL Waypoint6；手爪2至工件裝夾處

Set DO1=OPEN；手爪2夾緊

Wait DI3=HI；等待手爪2夾緊到位信號(hào)

Wait DI12=HI；等待車床卡盤松開到位信號(hào)

MOVEL Waypoint5；

MOVEJ Waypoint7；手爪1、2位置互換

MOVEL Waypoint6；手爪1至工件裝夾處

Wait DI10=HI；等待車床卡盤夾緊到位信號(hào)

Set DO0=CLOSE；手爪1張開

Wait DI4=HI；等待手爪1張開到位信號(hào)

MOVEL Waypoint5；

MOVEL Waypoint4；

Wait DI8=HI；等待車床門關(guān)閉到位信號(hào)

Wait DI14=HI；等待車床加工完成信號(hào)

Wait DI6=HI；等待車床門打開到位信號(hào)

MOVEL Waypoint5；

MOVEL Waypoint6；

Set DO0=OPEN；手爪1夾緊

Wait DI2=HI；等待手爪1夾緊到位信號(hào)

Wait DI12=HI；等待車床卡盤松開到位信號(hào)

MOVEL Waypoint5；

MOVEL Waypoint4；

Call SubProgram3；機(jī)器人上料翻轉(zhuǎn)臺(tái)子程序

Call SubProgram4；機(jī)器人上料數(shù)控車床子程序

Call SubProgram5；機(jī)器人上下料滾齒機(jī)子程序

Call SubProgram6；機(jī)器人下料成品件子程序

MOVEJ Waypoint1；

對(duì)企業(yè)布局的6處小型齒輪加工單元進(jìn)行加工試驗(yàn)，分別加工齒輪20件，與人工作業(yè)相比，自動(dòng)上下料系統(tǒng)加工效率得到顯著提高，產(chǎn)品穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改善。對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 自動(dòng)上下料系統(tǒng)與人工作業(yè)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在“智能制造”的發(fā)展規(guī)劃下，小型齒輪加工單元自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為中小企業(yè)自動(dòng)化程度及競(jìng)爭(zhēng)力的提高提供了新思路?，F(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn)表明：

(1)通過合理布局自動(dòng)上下料系統(tǒng)，可有效地節(jié)省人力資源及企業(yè)用工成本，提高中小企業(yè)加工效率；

(2)自動(dòng)上下料系統(tǒng)具有較高的重復(fù)定位精度，成品件一致性較人工作業(yè)得到大幅度提高；

(3)系統(tǒng)采用西門子S7-1500PLC作為主控制器，通過MODBUS-TCP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了工序間的信息流、工序轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化，布局簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

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