基于智能制造單元的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概論

彭冬偉

摘 要 近年來，我國工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，從而使人逐漸從繁重的工業(yè)生產(chǎn)中得以解脫出來。在數(shù)控加工設(shè)備中，通過機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床相互配合和機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，以此研發(fā)出智能化的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人系統(tǒng)，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞 智能制作單元;數(shù)控機(jī)床;上下料機(jī)器人

把數(shù)控車床和機(jī)器人共同構(gòu)成一個(gè)柔性智能制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)簡單，而且適應(yīng)性強(qiáng)。主要通過使用上下料機(jī)器人系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床相互配合，實(shí)現(xiàn)所有工藝過程中的零件抓取、上料、下料、裝夾、零件移位和翻轉(zhuǎn)、零件調(diào)頭等，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率，特別適用于大批量、小零部件的加工。

1GSK機(jī)器人特征分析

GSK機(jī)器人是完全符合我國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定制的關(guān)節(jié)臂式機(jī)器人，為用戶提供了有效且開放的機(jī)器人控制平臺，針對不同項(xiàng)目和應(yīng)用能進(jìn)行有效的具象處理，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)以及拓展功能的協(xié)調(diào)運(yùn)行。另外，數(shù)控機(jī)床和GSK機(jī)器人結(jié)合在一起，能實(shí)現(xiàn)整體工作效率和工作流程的進(jìn)一步優(yōu)化。在兩者進(jìn)行組合的過程中，借助合適的機(jī)器人工具對上下料運(yùn)動軌跡進(jìn)行升級，不僅能提升工藝流程的完整度，也能在保證數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人建立良好交流的前提下推進(jìn)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

2數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人工作流程的設(shè)計(jì)

現(xiàn)以GSK1001A智能制造單元為例，GSK1001A智能制造單元是由智能制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、中央控制器、RFID技術(shù)、GSK七軸工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床、加工中心、在線檢測系統(tǒng)、立體料倉、電子信息化看板、仿真系統(tǒng)等組成的。本套智能制造單元通過智能制造執(zhí)行系統(tǒng)把下單任務(wù)傳達(dá)到中央控制器，再控制工業(yè)機(jī)器人上料給數(shù)控車床和加工中心，并由中央控制器根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)訂單遠(yuǎn)程控制數(shù)控車床、加工中心以及機(jī)器人準(zhǔn)備就緒已載入的指定程序，實(shí)現(xiàn)智能制造。加工工藝流程是：工業(yè)機(jī)器人根據(jù)載入程序在自動料倉中抓取毛坯，先給數(shù)控車床上料，車床對毛坯進(jìn)行切削加工，加工完成后機(jī)器人把半成品取下給加工中心上料，加工中心對半成品工件進(jìn)行加工，加工完成后機(jī)器人把成品放回立體料庫。該智能制造單元能通過智能制造執(zhí)行系統(tǒng)下任務(wù)訂單，調(diào)用不同的工件程序進(jìn)行不間斷循環(huán)的智能制造，并能通過在線檢測數(shù)據(jù)自動修改刀補(bǔ)優(yōu)化生產(chǎn)，加工前還能通過產(chǎn)線仿真平臺進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證避免出錯[2]。

3數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上面設(shè)計(jì)的機(jī)床上下料機(jī)器人系統(tǒng)工作流程為基礎(chǔ)，考慮到節(jié)約勞動力和實(shí)現(xiàn)多品種產(chǎn)品的加工，經(jīng)過不斷改善和優(yōu)化，本文研發(fā)出一款將數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、立體倉庫、RFID技術(shù)以及檢測技術(shù)進(jìn)行一體化結(jié)合的智能化上下料系統(tǒng)，該數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人能夠自主完成鏜削、車削、鉆削和銑削等多種復(fù)雜工序，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜零件的加工。其不僅能夠簡化計(jì)劃調(diào)度與生產(chǎn)管理，使上下料環(huán)節(jié)的速度大幅提高，還能合理管控產(chǎn)品的加工質(zhì)量。除此之外，通過MES系統(tǒng)的工單下達(dá)與加工任務(wù)排程來對零部件進(jìn)行智能化的加工與生產(chǎn)管控，數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人還能對加工零件進(jìn)行指定尺寸的在線實(shí)時(shí)檢測，并通過MES系統(tǒng)的輔助來管理零部件的質(zhì)量以及工藝優(yōu)化。根據(jù)以上研究內(nèi)容，本文采用GSK七軸工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)機(jī)器人，并將其與數(shù)控車床數(shù)控機(jī)床進(jìn)行結(jié)合，同時(shí)還應(yīng)用了立體倉庫、RFID技術(shù)和信息檢測技術(shù)，以此研發(fā)出能夠進(jìn)行自動上下料操作的智能化工業(yè)機(jī)器人，并由自動門來替代數(shù)控機(jī)床中原有的防護(hù)門。

3.1 機(jī)器人的選型與工程流程設(shè)計(jì)

GSK七軸工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)機(jī)器人擁有7個(gè)伺服軸，可以以任意姿態(tài)到達(dá)可達(dá)范圍中的任意一個(gè)點(diǎn)。作為上下工件的“搬運(yùn)工”，GSK七軸工業(yè)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)等幾大部分組成。本加工單元中，機(jī)器人是主動設(shè)備，機(jī)床是從動設(shè)備，機(jī)器人發(fā)出信號傳輸給數(shù)控機(jī)床，控制液壓卡盤的松開與夾緊。機(jī)器人根據(jù)要求需做出抓料、工件識別、上料、扶正、下料和翻轉(zhuǎn)倒屑等編程操作和動作調(diào)整，所有這些動作都編制相應(yīng)的PLC程序儲存在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，同時(shí)機(jī)器人會根據(jù)節(jié)拍要求隨時(shí)調(diào)整動作速度?？傊?，機(jī)器人會根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以滿足加工的需要。需要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)器人的所有動作與機(jī)床相對獨(dú)立，沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系。數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人之間的聯(lián)系是通過單獨(dú)的I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與識別。

3.2 系統(tǒng)控制及通訊的設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人中，其控制系統(tǒng)主要是通過MES來完成的，同時(shí)MES系統(tǒng)還具備通訊功能，其通訊模式采用快速I/O模式。在硬件上，利用屏蔽信號電纜來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間的端子連接，并在端子中并聯(lián)相應(yīng)的繼電器來達(dá)到控制液壓卡盤的目的。

3.3 部件監(jiān)測及在線測量的設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人中，對數(shù)控機(jī)床等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，是利用MES系統(tǒng)中的設(shè)備層來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過視覺檢測系統(tǒng)來對工件的擺放位置等信號進(jìn)行檢測，然后將信號反饋給機(jī)器人，機(jī)器人通過調(diào)整位置姿態(tài)來對工件進(jìn)行抓取。最后，在智能化系統(tǒng)中還應(yīng)用了RFID系統(tǒng)，通過對工件電子標(biāo)簽信息的掃描，來對加工工件的尺寸進(jìn)行在線測量，并按照相應(yīng)的尺寸信息來對工件進(jìn)行銑削、鉆銷等加工操作。

4結(jié)束語

隨著工業(yè)機(jī)器人靈巧化和智能化不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，其在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越廣泛;而伴隨數(shù)控技術(shù)日新月異的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的加工領(lǐng)域也必將越來越廣闊。將工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行結(jié)合起來，運(yùn)用了先進(jìn)的自動物料輸入/輸出系統(tǒng)、工件自動準(zhǔn)確定位系統(tǒng)、氣密檢測系統(tǒng)以及狀態(tài)識別、在線診斷/檢測、刀具壽命管理、破損檢測系統(tǒng)和加工管理系統(tǒng)，先進(jìn)的柔性復(fù)合加工技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，并通過機(jī)器人完成數(shù)控加工中心與數(shù)控車床的工序交換，實(shí)現(xiàn)了全線從毛坯到成品的自動化制造，將原來多道加工工序進(jìn)行壓縮，達(dá)到集制造加工技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)于一體的柔性智能制造技術(shù)的應(yīng)用。

參加文獻(xiàn)

[1] 陳國定.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：101.

[2] 孫鳳池.機(jī)械加工工藝手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：57.