自動化加工工作站系統(tǒng)集成方法研究

陳 成，王 銳

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫214028）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會工業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)越來越朝著智能的方向發(fā)展。目前，衡量一個國家和地區(qū)的制造業(yè)先進(jìn)程度的第一標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為制造業(yè)中機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。智能制造產(chǎn)業(yè)近年來得到了蓬勃發(fā)展，在機(jī)器人科技上表現(xiàn)尤甚。為了滿足數(shù)控機(jī)床技術(shù)和加工過程中的加工機(jī)械零件的裝卸和安裝要求，數(shù)控車床和上下料機(jī)械手、工作站線路集成、工作站加工一起，實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床技術(shù)的機(jī)械化和自動化[1]。

1 自動化加工工作站的組成

1.1 搬運(yùn)上下料機(jī)器人

川崎RS010N操作系統(tǒng)的上下料機(jī)器人高速、性能強(qiáng)大的工業(yè)機(jī)器人，所有小型和中型工業(yè)機(jī)器人都有基本的標(biāo)準(zhǔn)，就是所謂的R系列機(jī)器人。R系列機(jī)器人的設(shè)計非常緊湊，機(jī)器人的工作速度在整個工業(yè)機(jī)器人行業(yè)也是遙遙領(lǐng)先，其可應(yīng)用范圍非常廣泛。在工業(yè)制造中，機(jī)械手可以代替普工在惡劣、危險的情況下從事長時間的、冗雜的重復(fù)的工作。在原子彈、核能產(chǎn)業(yè)，在機(jī)械加工、鍛模、冷處理、熱處理、電焊、噴涂、沖壓等工序中，機(jī)械手可以代替人工在危害人類健康的環(huán)境下上下料或者操作流程。機(jī)械手上安裝一個爪子就可以提拉重物，加上焊條就能用來電焊，加上刷子就能刷漆，在機(jī)械制造的沖壓、熱處理、涂裝等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用，很適合大型勞動密集型企業(yè)，根據(jù)用戶需要計劃制造完整的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用操作系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

1.2 數(shù)控車床

作為一種半封閉式的數(shù)控機(jī)床，西門子980TC3數(shù)控車床可適應(yīng)不同的機(jī)械加工方式，可以對不同回轉(zhuǎn)面的小部件進(jìn)行加工，自動和手工均可。980TC3數(shù)控系統(tǒng)全新的人機(jī)交互界面，可以大幅度提高工廠的加工速度，確保產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。它具有易用、友好和美觀、連接更加方便、編程更加簡潔等特點。

2 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床的協(xié)調(diào)工作要求

要保證機(jī)器人在數(shù)控車床加工時準(zhǔn)確無誤及時地上下料，須考慮以下幾個問題：

（1）考慮數(shù)控車床加工零件的車削工藝流程。

（2）設(shè)計出符合工業(yè)機(jī)器人手抓。

（3）操作等方式加工出零件實物并調(diào)試工作站操作系統(tǒng)功能。

（4）使得數(shù)控車床與機(jī)器人的I/O通信。

3 具體實施過程

3.1 工件數(shù)控車削工藝分析

如圖1所示，所加工的零件由圓柱構(gòu)成，選用材料為45#，Φ30 mm×100 mm，在數(shù)控車床上加工，需要進(jìn)行兩次裝夾。現(xiàn)將工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)及數(shù)控車床加工技術(shù)組合應(yīng)用，以自動上下料的方式加工此工件，提高加工效率[2]。

圖1 加工件零件圖

3.2 川崎機(jī)器人的工作單元功能

3.2.1 加工設(shè)備布置

上下料設(shè)備的兩種結(jié)構(gòu)：①一臺機(jī)器人為兩臺數(shù)控機(jī)床服務(wù)；②一臺機(jī)器人為一臺數(shù)控機(jī)床服務(wù)。鑒于第二種的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較緊湊，所以，在設(shè)計中選用第二種結(jié)構(gòu)。自動上下料工作過程示意圖如圖2所示。

圖2 自動上下料工作過程示意圖

3.2.2 機(jī)器人手爪設(shè)計要求

（1）手爪設(shè)計和選用首先要思考的是什么樣的零件要被抓握。因而，必需充分考慮零件的幾何外形、機(jī)械特征。

（2）物料的傳送裝置和貯存裝置與合作的零件傳送裝置和貯存裝置對手爪抓鉗距離的最大值和最小值以及必要的鉗子抓力都有要求。同時，應(yīng)該大概清楚其他外部因素對手爪的影響。

（3）一般情況下，手腕和工業(yè)機(jī)器人相配套的手爪通過法蘭式機(jī)械手爪進(jìn)行連接。機(jī)械臂的負(fù)荷量中包含了機(jī)械手爪的重量，這兩個問題必需認(rèn)真的思考。機(jī)械手爪是可以更換的，機(jī)械手爪所抓的物體可以不同，但是接口必須匹配，因此，取零件的接口和手腕的機(jī)械借口尺寸必須一致。產(chǎn)業(yè)機(jī)器人一次能抓取的重量是機(jī)器人能承載的重量減去手爪的重量，所以，手爪的重量切記過重。必須和機(jī)器人能擔(dān)負(fù)的總重量相匹配。

（4）工業(yè)機(jī)器人的工作條件。機(jī)器人工作區(qū)間內(nèi)的環(huán)境對機(jī)器人的運(yùn)作影響很大。油、濕、高溫和低溫的環(huán)境都會對機(jī)械手手部工作產(chǎn)生影響。機(jī)器人想要在高溫鍛造爐里取出鍛造的物件，必須保證其機(jī)械手能在高溫條件下正常的開合和運(yùn)作。

3.2.3 機(jī)械夾持式末端執(zhí)行器

機(jī)器人手抓擁有一個自由度，所抓取物品可以是圓柱形，如水杯或圓柱形零件。根據(jù)機(jī)器人抓取零件的直徑從而得到范圍是20～40 mm；機(jī)器人手抓在操作任務(wù)時手臂的長度決定運(yùn)動空間的大小，所以機(jī)械手伸出長度取80 mm；包括抓取物體在內(nèi)的總質(zhì)量為2.225 kg，如圖3所示。

圖3 末端執(zhí)行器示意圖

3.3 機(jī)器人與數(shù)控車床通訊分配

為了更好地協(xié)調(diào)機(jī)器人和數(shù)控車床的工作就必須建立機(jī)器人和機(jī)床之間的安全和可靠的通信機(jī)制。通過I/O通訊模式來實現(xiàn)。在硬件方面，兩者之間的PLC處理器有相應(yīng)輸入和輸出點由一個屏蔽信號電纜連接，所述屏蔽電纜可以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。該軟件使用川崎特定機(jī)器人應(yīng)用軟件來制備，根據(jù)機(jī)床和機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)編寫相應(yīng)的控制程序，并最終達(dá)到數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人之間的有效通信實現(xiàn)模塊化自動運(yùn)行[3]，數(shù)控車床I/O分配表如表1所示，PLC電氣原理圖如圖4所示。

表1 數(shù)控車床I/O分配表

圖4 P L C電氣原理圖

4 組合應(yīng)用實例工藝流程

綜上所述，總結(jié)工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)及數(shù)控車床加工技術(shù)組合應(yīng)用工藝流程如下框圖5所示。

圖5 組合應(yīng)用工藝流程圖

5 結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，對于無人化和降低了勞動強(qiáng)度，模塊化的自動裝載和卸載柔性制造系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，特別是柔性車削中心、加工中心、車削和銑削中心，需要高的速度和工件的精確定位，尤其是高速的要求。工業(yè)機(jī)器人裝載和卸載機(jī)構(gòu)配備在數(shù)控車床中，實現(xiàn)了工件的自動裝載和自動卸載。這項技術(shù)的發(fā)展，集成了通信、氣動、傳感器檢測、機(jī)械機(jī)構(gòu)和數(shù)值控制功能。它結(jié)合了機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的功能，簡化了數(shù)控機(jī)床的操作模式，提高數(shù)控機(jī)床的操作安全性，降低了工人的勞動強(qiáng)度。裝載、卸載和自動處理緊密連接，從而大大提高了工作效率，具有良好的推廣價值。