自動(dòng)化上下料機(jī)器人生產(chǎn)線控制優(yōu)化分析

廖啟雁

摘? 要：新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和智能化產(chǎn)業(yè)使得工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度越來(lái)越高，給人們生產(chǎn)建設(shè)帶來(lái)了許多便利，其中機(jī)器人就是最典型的代表，通過(guò)對(duì)機(jī)器人的不斷研究，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)線控制優(yōu)化?；诖耍恼峦ㄟ^(guò)結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)，整套裝置由PLC進(jìn)行控制，將機(jī)器人與數(shù)控車床有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料，分析基于工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)品柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。自動(dòng)上下料系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的手工操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省時(shí)、省力、維護(hù)方便，能高效完成產(chǎn)品自動(dòng)上下料任務(wù)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;數(shù)控車床;PLC控制;自動(dòng)上下料

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）36-0085-02

Abstract： The emerging high-tech industry and intelligent industry make the degree of industrial production automation higher and higher， which brings a lot of convenience to people's production and construction， among which the robot is the most typical representative， through the continuous research of the robot， realize the production line control optimization of industrial robot. Based on this， this paper designs and develops a robot automatic loading and unloading system according to the production requirements of the enterprise. The whole device is controlled by PLC， and the robot is organically integrated with the CNC lathe to realize the automatic loading and unloading of workpieces. The control system of product flexible automatic production line based on industrial robot is analyzed. The automatic loading and unloading system replaces the traditional manual operation. The system has the advantages of simple structure， time-saving， labor-saving and convenient maintenance， and can efficiently complete the task of automatic loading and unloading of products.

Keywords： industrial robot; CNC lathe; PLC control; automatic loading and unloading

引言

隨著《中國(guó)制造2025》國(guó)策的提出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等已成為社會(huì)廣泛熱議的話題。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線能從產(chǎn)品需求出發(fā)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化和智慧制造，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，打通上層系統(tǒng)與底層產(chǎn)線之間的阻隔，大大地提升工業(yè)的產(chǎn)量和效率。柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要采用模塊組合式結(jié)構(gòu)，每個(gè)組合單元都可自成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，同時(shí)，該系統(tǒng)具備模塊化和開放式的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)需要，科學(xué)添加其他應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。下面主要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，把工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到柔性自動(dòng)上下料生產(chǎn)線中，通過(guò)整合各種新技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備信息傳輸流動(dòng)。

1 數(shù)控技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的融合

我國(guó)在數(shù)控機(jī)床加工應(yīng)用領(lǐng)域中，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控車床中，實(shí)現(xiàn)兩者的融合應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在技術(shù)應(yīng)用層面上有了很多的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床的融合主要應(yīng)用在柔性制造系統(tǒng)（FMC），系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)需要，將多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)數(shù)控機(jī)床及其輔助設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組線，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床不僅各有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，同時(shí)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床、傳送帶之間傳送，完成工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)上下料，從而改變傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。以自動(dòng)上下料工業(yè)機(jī)器人為例，通過(guò)將工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床進(jìn)行集成應(yīng)用，采用PLC 控制技術(shù)對(duì)工件生產(chǎn)線運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線控制自動(dòng)化，不僅精度高、功能多，還可以進(jìn)行重復(fù)編程，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，能適應(yīng)各種惡劣生產(chǎn)環(huán)境，促進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益提升。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

某企業(yè)為了提高工件加工的生產(chǎn)效率，通過(guò)將廣州數(shù)控生產(chǎn)的RB165機(jī)器人與立式鉆銑床有機(jī)融合，一臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)一臺(tái)立式鉆銑床上下料;兩個(gè)料倉(cāng)，一個(gè)負(fù)責(zé)上料，一個(gè)負(fù)責(zé)下料。機(jī)器人從一側(cè)料倉(cāng)吸取工件到機(jī)床上，機(jī)床夾具卡緊定位，并開始加工，加完完成，機(jī)器人下料到另一側(cè)料倉(cāng)，再抓取下一個(gè)未加工工件。MES實(shí)時(shí)讀取中控PLC及各系統(tǒng)狀態(tài)，并通過(guò)大屏幕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理，設(shè)備監(jiān)控看板展示工業(yè)機(jī)器人工作狀態(tài)，設(shè)備可以統(tǒng)一調(diào)用程序，暫停設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

本生產(chǎn)線的上下料倉(cāng)可以放置30個(gè)最大型加工件或者成品或者150個(gè)小型加工件，大概可以連續(xù)生產(chǎn)3小時(shí)。定位桿方便上料定位，上料完成后抽去。地面上有料倉(cāng)定位銷釘，料倉(cāng)可以準(zhǔn)確安裝在指定位置。機(jī)械手抓手采用的吸盤吸取工件，有效避免了機(jī)械夾具抓取對(duì)工件抓取的劃損，同時(shí)降低了吸盤的抓手的重量。抓手吸盤密集分布，采用內(nèi)置止回閥，減少抓取時(shí)空氣的損失，同時(shí)可以通用不同外徑的工件抓取。主控PLC可通過(guò)PROFINET網(wǎng)關(guān)以約定的協(xié)議設(shè)定機(jī)器人相關(guān)內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)與機(jī)器人成功對(duì)接并運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人執(zhí)行不同功能模塊的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了既定的控制目標(biāo)與期望的信息交互。

3 控制系統(tǒng)的搭建

控制系統(tǒng)主要由3層完成搭建，位于頂層的MES層，主要負(fù)責(zé)訂單管理、制造過(guò)程調(diào)度和監(jiān)控;而位于中間層的控制層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、流動(dòng)及控制任務(wù);位于最底層的設(shè)備層，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作與完成上下料任務(wù)。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以PLC為主控制器的控制層，支持工業(yè)以太網(wǎng)接口，系統(tǒng)統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)輸時(shí)提高通訊可靠性，同時(shí)采用分布式I/O模塊。

而MES采用強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集引擎，完成數(shù)據(jù)采集渠道的整合，與主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，MES可自由讀取所有生產(chǎn)信息或直接控制中控系統(tǒng)，正確完成MES系統(tǒng)與立式鉆銑床、工業(yè)機(jī)器人、PLC等設(shè)備的參數(shù)配置，完成模塊化功能及底層部件動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接和數(shù)據(jù)采集，也增強(qiáng)系統(tǒng)柔性，便于后期功能擴(kuò)展。

根據(jù)工藝流程要求加工工藝模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展PLC模塊，完成PLC編程及HMI工控組態(tài)，使得控制層可與MES相連完成系統(tǒng)訂單任務(wù)，也能根據(jù)實(shí)際需求，脫離MES脫機(jī)工作，完成智能化生產(chǎn)任務(wù)。

以本自動(dòng)上下料生產(chǎn)線為例，人工裝滿料倉(cāng)，用叉車把料倉(cāng)安裝在上料位的定位銷上，啟動(dòng)設(shè)備，發(fā)起加工需求后，MES通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接口獲取信息，MES發(fā)送指令給機(jī)器人前往上料倉(cāng)取下工件并運(yùn)送至生產(chǎn)線，機(jī)器人就位后，機(jī)器人吸取工件到機(jī)床內(nèi)夾具安裝位上，機(jī)床夾具自動(dòng)卡緊工件;機(jī)器人退出機(jī)床，機(jī)床門關(guān)閉，機(jī)床開始加工。機(jī)床加工完成，隨后機(jī)床主軸上吹氣風(fēng)刀通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)床X、Y軸，清理工件表面鋁屑（注：吹氣風(fēng)刀安裝在切屑液噴嘴旁邊）。機(jī)床門打開，機(jī)器人抓手吸取工件到下料倉(cāng)內(nèi)。機(jī)床通過(guò)運(yùn)動(dòng)X、Y軸，吹氣風(fēng)刀再次清理夾具表面的鋁屑。機(jī)器人往下偏移一個(gè)位移，抓取下一個(gè)工件，重復(fù)以上流程，直到加工完成所有工件抓取完，料倉(cāng)一側(cè)的傳感器檢測(cè)到最后一個(gè)工件已取完，控制系統(tǒng)報(bào)警，提示人工更換上下料倉(cāng)。整個(gè)控制流程由MES根據(jù)加工信息決定下一步的加工動(dòng)作。

4 系統(tǒng)工作節(jié)拍與動(dòng)作循環(huán)

根據(jù)加工工藝和工藝流程分析，機(jī)器人更換工件時(shí)間為30s，立式鉆銑床加工時(shí)間為120s以上（由產(chǎn)品外形和實(shí)際加工的工序決定），所以生產(chǎn)效率為：120+30=150秒以上;一個(gè)月按26天，一天按工作8小時(shí)計(jì)算（可以24小時(shí)作業(yè)），在考慮機(jī)器定期維修保養(yǎng)、暖機(jī)以及準(zhǔn)備刀具、毛坯、工件搬運(yùn)等非生產(chǎn)工時(shí)后，根據(jù)本公司的經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料，本自動(dòng)化加工單元的使用率約為0.823。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)線系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，每月產(chǎn)量為4108件左右，達(dá)到理論預(yù)期效果。以上節(jié)拍和單元產(chǎn)量只作為個(gè)例提供參考。如果產(chǎn)能更大，可以24小時(shí)作業(yè)或者多建幾個(gè)單元，一個(gè)熟練的操作工人可操作兩三個(gè)單元。

5 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

本加工產(chǎn)線設(shè)計(jì)以機(jī)器人搬運(yùn)上下料為背景，生產(chǎn)線以MES為核心，結(jié)合PLC技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可完成制造過(guò)程中的工藝設(shè)計(jì)、排產(chǎn)調(diào)度、、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。其中對(duì)生產(chǎn)線關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠有效提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。主要檢測(cè)功能包括：數(shù)值越界報(bào)警、報(bào)警定位、監(jiān)控信息傳輸、工藝參數(shù)監(jiān)控，通過(guò)有效的監(jiān)測(cè)，隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，能及時(shí)定位報(bào)警位置，對(duì)機(jī)器人上下料系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)備顯示相關(guān)設(shè)備工藝參數(shù)及狀態(tài)，確保生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足高效大批量生產(chǎn)零件，本文結(jié)合當(dāng)前智能制造領(lǐng)域的新趨勢(shì)新技術(shù)，于數(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)一種機(jī)器人自動(dòng)上下料智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。作業(yè)過(guò)程中，除了需要人工搬運(yùn)工件進(jìn)入料倉(cāng)外，其他工序均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化高效率生產(chǎn)，重點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制流程進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)柔性制造。

該柔性生產(chǎn)線組裝簡(jiǎn)單，系統(tǒng)布置合理，經(jīng)過(guò)測(cè)試，整體系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，且可根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要，靈活調(diào)整設(shè)備，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。目前，該生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，根據(jù)本公司的經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料，本自動(dòng)化加工單元的使用率約為0.823，系統(tǒng)動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定。

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