加工生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造探析

關(guān)慶隆

摘 要：當(dāng)前，自動(dòng)化控制已成為了工業(yè)發(fā)展的主要方向，做好生產(chǎn)線設(shè)備及系統(tǒng)的自動(dòng)化改造工作十分必要。本文結(jié)合某差速器殼體類加工生產(chǎn)線自動(dòng)化改造項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)其自動(dòng)化改造進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為類似生產(chǎn)線自動(dòng)化改造提供參考。

關(guān)鍵詞：加工生產(chǎn)線；自動(dòng)化；改造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)手工操作已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)發(fā)展的需求，工業(yè)自動(dòng)化建設(shè)得到了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)線中，應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，能夠有效提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還對(duì)提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及核心競(jìng)爭力起到至關(guān)重要的作用?；诖耍P者進(jìn)行了相關(guān)介紹。

1.項(xiàng)目背景

某加工生產(chǎn)線由三臺(tái)立式車床和兩臺(tái)加工中心組成，機(jī)床均為手動(dòng)開關(guān)門，部分機(jī)床系統(tǒng)通信方面只具有RS232串口通信能力。該線主要生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，它們外形相似，工藝流程相同，工裝、刀具通用，產(chǎn)品柔性化程度較高。工件在機(jī)床上的定位工序間需翻轉(zhuǎn)一次，其中，有兩個(gè)工序有角向定位要求。

2.項(xiàng)目內(nèi)容

對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行功能及自動(dòng)化改造，增加多關(guān)節(jié)機(jī)器人、2D/3D視覺拍照系統(tǒng)及行走導(dǎo)軌，增加生產(chǎn)線附屬設(shè)施，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過增加刀具管理系統(tǒng)、產(chǎn)品的在線檢測(cè)及刀具破損檢測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)兩種產(chǎn)品在現(xiàn)有生產(chǎn)線上的一定時(shí)間內(nèi)的無人化生產(chǎn)。

2.1整個(gè)系統(tǒng)的組成

整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)由一個(gè)PLC總控制柜、一臺(tái)FANUC機(jī)器人R2000iC/165F、一個(gè)機(jī)器人控制柜R-30iB、FANUCiR Vision 2DV/3DL視覺系統(tǒng)、行走軸（第七軸）、抽檢臺(tái)、五個(gè)換向臺(tái)、切屑及切削液清理裝置、物料自動(dòng)輸送線、角向定位周轉(zhuǎn)臺(tái)、非標(biāo)卡爪（斷氣保持）、3臺(tái)數(shù)控車床、2臺(tái)加工中心、兩套雷尼紹在線測(cè)量Primosystem、三套刀具破損系統(tǒng)TRS2及一套基恩士電感測(cè)筆（GT2-A12K）組成。

2.2電氣連接

機(jī)器人控制柜與機(jī)器人進(jìn)行接線（包括氣路的連接）及通信設(shè)置；將所需的機(jī)床信號(hào)點(diǎn)（如開關(guān)門、程序啟動(dòng)、報(bào)警等）采集后利用cclink模塊集成與總控進(jìn)行I/O通信連接；同樣將輸送線上的變頻器、電磁閥以及傳感器等開關(guān)量也利用CCLINK進(jìn)行集成與總控制柜通信連接；然后完成總控與機(jī)器人控制柜的接線通信；轉(zhuǎn)換臺(tái)、抽檢臺(tái)及吹氣筒的電磁閥及傳感器的信號(hào)則通過直接接線實(shí)現(xiàn)I/O連接。

2.3產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案

由于產(chǎn)品在加工流轉(zhuǎn)過程中存在四次翻轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)工件的自由換向，利用齒輪齒條旋轉(zhuǎn)工作原理，借助氣缸、電磁閥和限位塊。實(shí)現(xiàn)工件靈活、準(zhǔn)確的換向，并通過控制柜控制轉(zhuǎn)換臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。

2.4產(chǎn)品的定位及產(chǎn)品抓取方案

（1）2D/3D視覺的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤上毛坯的準(zhǔn)確抓取，我們利用FANUCiRVision3DL視覺系統(tǒng)，對(duì)托盤中的產(chǎn)品進(jìn)行特征識(shí)別，依據(jù)基準(zhǔn)特征進(jìn)行校正，對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確保工件抓取時(shí)準(zhǔn)確可靠。OP15工件在安裝時(shí)需要有準(zhǔn)確的角向定位要求，為此，我們利用FANUCiRVision2D視覺系統(tǒng)，充分利用工件的有效角向特征量，來滿足工件的角向定位抓取及安裝要求。

（2）三指氣動(dòng)手抓設(shè)計(jì)。為同時(shí)滿足產(chǎn)品大小端的抓取，避免更換手抓或者設(shè)計(jì)雙手抓浪費(fèi)時(shí)間、占空間的問題，將手抓設(shè)計(jì)成階梯型手抓，手抓帶斷氣保持，保證抓取的安全。

2.5抽檢臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工件兩種放置狀態(tài)設(shè)置兩個(gè)抽檢臺(tái)，并可沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)。操作人員在圍欄外選取需抽檢機(jī)床（工序）的開關(guān)，機(jī)器人將自動(dòng)在該機(jī)床（工序）加工完成后，將待測(cè)工件放在抽檢平臺(tái)上，并輸出到安全圍欄外。抽檢完成后人工向系統(tǒng)發(fā)送完成信號(hào)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)將產(chǎn)品送回生產(chǎn)線進(jìn)行后序加工。

2.6機(jī)床、工裝改造

（1）自動(dòng)門的改造?，F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床PMC具備自動(dòng)門功能，根據(jù)機(jī)床電氣原理圖將自動(dòng)門K代碼接通，把自動(dòng)門功能打開，然后查找開關(guān)門的M代碼指令。取機(jī)床兩個(gè)輸入X分別接在開門按鈕和關(guān)門按鈕上，再取兩個(gè)輸出Y接在三位五通的電磁閥上，再從電磁閥上引出氣管接入自動(dòng)門的氣缸上，在機(jī)床上安裝氣缸及接線，接入機(jī)床對(duì)應(yīng)的Y輸出。同時(shí)增加門開到位檢測(cè)的控制。自動(dòng)門自動(dòng)運(yùn)行通過執(zhí)行M代碼實(shí)現(xiàn)，同時(shí)人工可以通過開關(guān)門按鈕對(duì)其控制。

（2）液壓工裝的改造。對(duì)OP15序工裝進(jìn)行液壓改造，由手動(dòng)夾緊，改為液壓夾緊，同時(shí)增加定位面的氣密檢測(cè)裝置，將氣密信號(hào)寫入機(jī)床PMC，實(shí)現(xiàn)氣密檢測(cè)及報(bào)警，保證定位可靠。

（3）機(jī)床底液管路改造。為清理工裝切屑，將機(jī)床底液管路改造，通過管路引到機(jī)床側(cè)壁上，對(duì)工件、工裝進(jìn)行沖刷，并通過機(jī)底液開關(guān)M代碼集成到加工程序中來控制。

2.7機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)流程

整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行初始化確認(rèn)，從托盤利用視覺系統(tǒng)進(jìn)行拍照抓取毛坯，放置轉(zhuǎn)換臺(tái)，機(jī)器人讀取各機(jī)床的上料、下料信號(hào)，并通過節(jié)拍判斷，選擇對(duì)哪臺(tái)機(jī)床進(jìn)行上料、下料。其中工件OP10到OP15時(shí)，再次進(jìn)行拍照，識(shí)別角向特征，準(zhǔn)確抓取。當(dāng)需要抽檢時(shí)，控制柜發(fā)出具體工位抽檢信號(hào)，機(jī)器人執(zhí)行抽檢程序，抽檢完成后，工件被放回，繼續(xù)加工。

機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)流程如圖1所示，整個(gè)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與機(jī)床、輸送線及相關(guān)附件的基本通信，滿足了機(jī)器人對(duì)工件的定位、翻轉(zhuǎn)、抓取、抽檢及準(zhǔn)確上下料，構(gòu)成了一套完整的、響應(yīng)迅速的搬運(yùn)系統(tǒng)。

圖1

3.在線檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)線改造中的應(yīng)用

3.1基于宏程序的雷尼紹在線檢測(cè)技術(shù)的二次開發(fā)應(yīng)用

為解決產(chǎn)品的在線檢測(cè)，我們?cè)跀?shù)控立車上安裝了雷尼紹在線檢測(cè)系統(tǒng)，主要對(duì)外圓內(nèi)孔進(jìn)行測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)部分刀具的自動(dòng)對(duì)刀。但雷尼紹在立車上的應(yīng)用還比較罕見，我們通過研究，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)。

雷尼紹的測(cè)量二次開發(fā)思路分析：由雷尼紹測(cè)量原理可知，該系統(tǒng)的測(cè)量思路是“工件加工前檢測(cè)”，即對(duì)下一工件加工前進(jìn)行修正。該測(cè)量系統(tǒng)適用于工件的偏差值必須設(shè)定在公差范圍內(nèi)，修正的目標(biāo)是將在公差范圍的尺寸不斷趨近中值的過程，類似于CPK上下線的收窄，借助測(cè)量控制來提高過程控制能力及穩(wěn)定性。如果測(cè)量超差，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，測(cè)量結(jié)果不會(huì)保存，這時(shí)需人工介入測(cè)量，人工修正加工。這對(duì)自動(dòng)線運(yùn)轉(zhuǎn)造成一個(gè)較長的停機(jī)時(shí)間。

利用宏程序?qū)⒓庸で皽y(cè)量改為加工過程中的測(cè)量，即當(dāng)前工件加工、測(cè)量后，將測(cè)量結(jié)果與工件要求公差進(jìn)行比較判斷，如果合格則放行，程序結(jié)束。如果超差，雷尼紹（程序）會(huì)將差值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，并對(duì)該尺寸自動(dòng)進(jìn)行二次加工，然后針對(duì)該尺寸進(jìn)行二次測(cè)量，此時(shí)從理論上講，加工的工件為合格工件，所以此時(shí)調(diào)用的測(cè)量程序的公差范圍為工件的真實(shí)公差，一旦測(cè)量超差，說明測(cè)量系統(tǒng)異常。這相當(dāng)于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)二次反饋與測(cè)評(píng)。從而使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)完整的閉環(huán)，保證了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2對(duì)刀功能

未使用對(duì)刀儀時(shí)，每把刀的補(bǔ)償值是通過人工試切，然后對(duì)試切工件進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，補(bǔ)償才能完成，此方式容易造成工件的報(bào)廢。當(dāng)更換刀具時(shí)，原則上這項(xiàng)工作要重新進(jìn)行，先試切、再刀補(bǔ)。該工作占用大量的生產(chǎn)輔助時(shí)間，尤其在自動(dòng)生產(chǎn)線中，造成大量停機(jī)時(shí)間，影響整條線的搬運(yùn)效率。我們利用雷尼紹的刀具破損檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了刀具的自動(dòng)對(duì)刀，刀具更換后，無需再人為退刀補(bǔ)，再加工，便能得到準(zhǔn)確的刀具補(bǔ)償值。

此次雷尼紹測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)控立車上的應(yīng)用并對(duì)其二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該技術(shù)的一個(gè)突破，尤其為立式車床實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)提供了經(jīng)驗(yàn)。

3.3基于基恩士測(cè)筆的在線檢測(cè)及自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的二次開發(fā)

OP10序的在線檢測(cè)，是利用基恩士測(cè)筆來實(shí)現(xiàn)的。該測(cè)筆系統(tǒng)是獨(dú)立于機(jī)床以外的控制測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)筆作為末端傳感器，通過測(cè)筆與工件接觸時(shí)測(cè)筆的壓縮量觸發(fā)傳感器開關(guān)。

基恩士控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄信號(hào)觸發(fā)位置，通過CPU進(jìn)行處理，得到測(cè)量數(shù)值。由于整個(gè)基恩士測(cè)筆與機(jī)床相互獨(dú)立，無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)后的刀具自動(dòng)補(bǔ)償，為此需要建立測(cè)筆與機(jī)床間的通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。

實(shí)現(xiàn)方式：通過增加小型工控機(jī)，設(shè)計(jì)開發(fā)測(cè)量軟件，讀取測(cè)筆的測(cè)量值，并通過運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品尺寸，利用CF卡轉(zhuǎn)網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與機(jī)床的通信，使之既能讀取機(jī)床的模態(tài)變量又能對(duì)機(jī)床的宏變量地址進(jìn)行寫入，實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。在此基礎(chǔ)上與機(jī)床宏程序及總控相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的在線檢測(cè)、自動(dòng)補(bǔ)償以及檢測(cè)頻次的設(shè)置。

4.刀具管理系統(tǒng)在自動(dòng)線改造中的應(yīng)用

為解決項(xiàng)目實(shí)施中刀具更換頻繁，導(dǎo)致人為干預(yù)較多，將刀具壽命管理系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化改造。

原理：利用宏程序，將刀組的信息（包括刀組數(shù)及刀具壽命）、刀組的內(nèi)的刀具地址及刀具偏置地址以及每把刀具的刀具壽命計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值進(jìn)行讀取，添加到FANUC刀具管理系統(tǒng)的可視化的頁面上，一把刀的刀具壽命達(dá)到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)接受信號(hào)，同時(shí)調(diào)用該刀組內(nèi)的備用刀具，當(dāng)?shù)督M內(nèi)刀具壽命全部達(dá)到時(shí)，即已使用刀具數(shù)達(dá)到刀組預(yù)設(shè)刀具數(shù)時(shí)，機(jī)床PMC報(bào)警。

完成刀具壽命管理程序后，刀組及相應(yīng)刀具壽命更新到刀具壽命管理系統(tǒng)中。加工程序中調(diào)用格式為TXX99。在加工程序中調(diào)用所需刀組號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)刀具壽命的管理及備用刀具的自動(dòng)切換，從而減少了換刀頻次，提高了刀具的使用規(guī)范性。

5.結(jié)語

綜上所述，加工生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造能夠有效解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及質(zhì)量，促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在生產(chǎn)線自動(dòng)化改造中，需要結(jié)合生產(chǎn)線的實(shí)際需求，合理應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行改造，從而提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)線的運(yùn)行效益。

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