應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)

梁志祥 丁金燕

摘 要：制造業(yè)是我國(guó)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。制造系統(tǒng)自動(dòng)化是制造業(yè)的主要目標(biāo)。近年來(lái)，隨著工業(yè)化、信息化、先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，逐漸成為企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要法寶。自動(dòng)化制造設(shè)備可以提高生產(chǎn)效率，縮短制造周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場(chǎng)適應(yīng)性等。特別是隨著國(guó)家“智能制造2025”戰(zhàn)略的提出，汽車(chē)工業(yè)迎來(lái)了自動(dòng)化和智能升級(jí)的難得機(jī)遇。通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車(chē)床與工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化結(jié)合，使機(jī)器人能夠自動(dòng)開(kāi)門(mén)、夾持工件;加工結(jié)束時(shí)自動(dòng)拆卸、自動(dòng)關(guān)閉;它不僅可以減少勞動(dòng)，而且可以提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床;改造;自動(dòng)化;設(shè)計(jì)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，勞動(dòng)力成本越來(lái)越高，制造業(yè)必須進(jìn)行全面的自動(dòng)化改革，機(jī)器人在制造業(yè)也將加速發(fā)展。數(shù)控車(chē)床作為制造業(yè)的支柱，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床與機(jī)器人的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化已提上議事日程。這里我們要改造數(shù)控車(chē)床，即改造數(shù)控車(chē)床，使機(jī)器人在夾緊工件時(shí)能自動(dòng)開(kāi)門(mén)，自動(dòng)夾緊;加工結(jié)束時(shí)自動(dòng)拆卸、自動(dòng)關(guān)閉;因此，數(shù)控車(chē)床在加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，減少了加工工作量，提高了生產(chǎn)效率。

1機(jī)床自動(dòng)化改造原理

本次改造是實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床加工自動(dòng)化，如圖1所示，改造數(shù)控車(chē)床自動(dòng)化、零件加工，實(shí)現(xiàn)機(jī)床通過(guò)門(mén)控制自動(dòng)化。然后由工業(yè)機(jī)器人將工件切換到機(jī)床安裝工具（氣動(dòng)三爪卡盤(pán)），卡盤(pán)由電磁閥同時(shí)松開(kāi)控制，將桿放在一定長(zhǎng)度的卡盤(pán)上，控制信號(hào)鎖定三爪卡盤(pán);然后機(jī)器人離開(kāi)，機(jī)器自動(dòng)關(guān)上門(mén)，開(kāi)始加工;加工完成后，機(jī)床門(mén)再次打開(kāi)，機(jī)器人抓取工件，松開(kāi)三口卡盤(pán)，機(jī)器人拆卸工件，然后關(guān)上門(mén)。此時(shí)，一個(gè)循環(huán)完成，下一個(gè)循環(huán)可以繼續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

2主體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)化功能，必須對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控車(chē)床進(jìn)行改造，選用980td寬數(shù)控車(chē)床。內(nèi)容轉(zhuǎn)換將從控制系統(tǒng)和硬件轉(zhuǎn)換兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：

（1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程由數(shù)控車(chē)床工件、數(shù)控系統(tǒng)向工業(yè)機(jī)器人發(fā)出指令，啟動(dòng)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)（PLC，外部I/O端口最多可擴(kuò)展256個(gè)）。第一個(gè)被判定為硬件以上的機(jī)器人擁有工件，在信號(hào)檢測(cè)時(shí)，工業(yè)機(jī)器人會(huì)抓取工件，完成信號(hào)后抓取工件，車(chē)門(mén)打開(kāi)，車(chē)門(mén)打開(kāi)到位，確認(rèn)位置信號(hào)時(shí)由行程開(kāi)關(guān)控制，松開(kāi)氣動(dòng)卡盤(pán)，工業(yè)機(jī)器人控制手爪將工件（棒）夾緊在平底鍋中，等待3s后，電磁閥動(dòng)作報(bào)警，檢查卡盤(pán)鎖定，機(jī)床夾緊卡盤(pán)完成后，工業(yè)機(jī)器人離開(kāi)機(jī)床后，系統(tǒng)會(huì)留下關(guān)閉機(jī)床門(mén)的信號(hào)，如果檢測(cè)到由行程開(kāi)關(guān)關(guān)閉到位，則在檢測(cè)到信號(hào)后，將工業(yè)機(jī)器人送入數(shù)控車(chē)床，數(shù)控系統(tǒng)后端的信號(hào)是一個(gè)工件處理程序，處理完成后將信號(hào)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人抓取工件，在指定的硬件設(shè)備上，返回到初始狀態(tài)，結(jié)束一個(gè)工作周期。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，PLC系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人側(cè)開(kāi)得更好，I/O觸點(diǎn)較多，非常方便。而嵌入式plc對(duì)數(shù)控車(chē)床的改造更為不便，要有一定的權(quán)威性，并在改造后進(jìn)行一段時(shí)間的測(cè)試，以確定其穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，我們發(fā)現(xiàn)某些功能機(jī)床制造商的數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)沒(méi)有使用，如無(wú)液壓自動(dòng)后座車(chē)床、車(chē)床潤(rùn)滑系統(tǒng)、車(chē)床控制系統(tǒng)等。等，我們剛查了機(jī)床的控制電路圖，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的沒(méi)有使用過(guò)一些I/O模具拾取什么東西，我們用它的鑰匙和相應(yīng)的代碼，你就可以控制門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉（代碼M32，配線腳Y0.3），卡盤(pán)松動(dòng)（代碼M13，配線腳Y0.5）和聯(lián)鎖碼（配線腳M12，Y0.6），這樣就不需要再安裝PLC，降低了成本，不會(huì)影響機(jī)床的穩(wěn)定性。

（2）設(shè)備改造。在整個(gè)加工系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)、自動(dòng)夾緊、自動(dòng)關(guān)閉、自動(dòng)加工、自動(dòng)打開(kāi)、自動(dòng)拆卸、自動(dòng)關(guān)閉等自動(dòng)過(guò)程，需要對(duì)該過(guò)程進(jìn)行一些改進(jìn)：a。數(shù)控車(chē)床的原裝夾緊裝置是一種普通的三爪手動(dòng)夾緊盤(pán)，經(jīng)過(guò)改造成氣動(dòng)夾緊盤(pán)，使數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人能夠自動(dòng)控制夾緊盤(pán)的密封性。機(jī)床原裝手動(dòng)操作、氣動(dòng)功率控制、機(jī)床開(kāi)關(guān)門(mén)的安全防護(hù)門(mén)行程500mm，選用直徑30mm×500mm的標(biāo)準(zhǔn)桿筒，通過(guò)控制電路，可使機(jī)器自動(dòng)控制門(mén)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種改造，既可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以減少安全事故的發(fā)生（如果原來(lái)的鎖芯軸鑰匙忘了拆卸，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，風(fēng)險(xiǎn)比較大，現(xiàn)在就沒(méi)有了）;同時(shí)，學(xué)生們還可以討論在金屬加工實(shí)踐中如何提高自動(dòng)控制能力。

（3）自動(dòng)送料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)送料裝置包括斜送料通道和安裝在主軸座上方的送料機(jī)械手。進(jìn)給操縱器包括推桿和推力油缸。非標(biāo)軸承的外環(huán)基本上是由環(huán)材料制成的閥體，無(wú)位置要求。它可以放在斜進(jìn)料通道中。工件從傾斜進(jìn)給路徑上的滑動(dòng)斜坡自動(dòng)滾動(dòng)到出料口，傳感器觸發(fā)進(jìn)給機(jī)械手內(nèi)的氣缸運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手將工件夾在主軸前端。氣動(dòng)推桿將工件推入夾緊裝置的夾緊頭，傳感器觸發(fā)夾緊裝置，完成工件的自動(dòng)送料。

（4）夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非標(biāo)軸承外環(huán)內(nèi)表面為環(huán)體內(nèi)表面，夾緊裝置采用點(diǎn)接觸定位和環(huán)體表面夾緊。夾緊裝置包括活動(dòng)芯軸、氣動(dòng)拉桿、執(zhí)行桿和傳感器。主軸孔內(nèi)設(shè)有活動(dòng)芯軸，夾緊缸上裝有氣動(dòng)拉桿，由氣缸驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，夾緊缸與夾緊缸之間采用螺紋連接。當(dāng)工件被夾緊時(shí)，氣動(dòng)拉桿拉動(dòng)卡盤(pán)夾緊工件，工件自動(dòng)夾緊。車(chē)削完成后，在彈性變形的作用下，氣缸復(fù)位，活動(dòng)卡盤(pán)復(fù)位到原來(lái)的狀態(tài)。夾緊過(guò)程穩(wěn)定均勻，采用圓形凸臺(tái)支撐軸承外圈內(nèi)壁，減少了零件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的變形。

（5）翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)這種非標(biāo)軸承常見(jiàn)的徑向定位孔和8字油槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并安裝了一種由車(chē)刀和伺服電機(jī)組成的銑削裝置。車(chē)床牽引板上設(shè)有工具安裝座，可根據(jù)車(chē)床中心不同高度手動(dòng)調(diào)整，刀具座安裝在橫向拖板上。根據(jù)需要安裝1 ～ 6個(gè)數(shù)控車(chē)削刀具，進(jìn)行車(chē)削加工。拖板的另一側(cè)安裝有銑削裝置，銑削裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。銑削裝置可根據(jù)加工方向的需要手動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)徑向或圓周銑削。

（6）自動(dòng)抑制裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本發(fā)明公開(kāi)了一種自動(dòng)卷簾裝置，包括逃生通道和推力缸。加工完成后，移動(dòng)卡盤(pán)復(fù)位松開(kāi)工件，工件自動(dòng)掉入出料通道，由推力缸推至出料通道出口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出料。

（7）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)包括機(jī)床控制面板、PLC控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)編制數(shù)控程序、PLC控制系統(tǒng)動(dòng)作、PLC控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制自動(dòng)上下料、夾緊、車(chē)削、銑削進(jìn)給等機(jī)械零件的自動(dòng)操作。

（8）數(shù)控系統(tǒng)選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本機(jī)控制系統(tǒng)采用廣州數(shù)控系統(tǒng)GSK990?，最多可控制3臺(tái)伺服電機(jī)。系統(tǒng)采用8.4英寸高分辨率彩色液晶顯示屏，支持B類(lèi)宏程序（報(bào)表），開(kāi)放式PLC支持在線編輯、編譯，邏輯控制功能更加方便靈活。

3設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）機(jī)床配有PLC控制系統(tǒng)，無(wú)需安裝其他PLC，降低了成本，不會(huì)影響機(jī)床的穩(wěn)定性。

2）通過(guò)PLC控制和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)時(shí)控制機(jī)器防護(hù)門(mén)的開(kāi)關(guān)。

3）通過(guò)機(jī)床PLC，可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人夾緊時(shí)的自動(dòng)開(kāi)門(mén)。

4）通過(guò)整體方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車(chē)床的全自動(dòng)加工，不僅減少了加工工作量，而且提高了生產(chǎn)效率。

4結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控車(chē)床的硬件改造上（主要采用氣動(dòng)進(jìn)給），通過(guò)自主研發(fā)的自動(dòng)進(jìn)給裝置、夾緊裝置和切削裝置，如機(jī)床門(mén)可自動(dòng)開(kāi)閉，零件三爪卡盤(pán)可自動(dòng)鎖閉和松開(kāi)，并配有工業(yè)機(jī)器人和硬件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)加工。大大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平，降低了生產(chǎn)成本。該設(shè)備通用性強(qiáng)，市場(chǎng)前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]王俊洲，張曉娟，趙淑娟.氣動(dòng)與液壓技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

[2]沈向東.柔性制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]李長(zhǎng)河，丁玉成.先進(jìn)制造工藝技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.