沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

黃冬梅

一、緒論

（一）簡述研究背景，提出問題

隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化的深入發(fā)展，在家用電器、航天航空、汽車和大型機(jī)械制造業(yè)等方面對(duì)金屬板殼零件的需求量大幅提升。這些都需要有足夠的沖壓設(shè)備生產(chǎn)能力保證。然而，各大小沖壓關(guān)聯(lián)企業(yè)卻面臨著勞動(dòng)力成本大幅提升和生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣所導(dǎo)致的招工難的尷尬境況。如何保證生產(chǎn)質(zhì)量、提升產(chǎn)能、降低成本，成為整個(gè)沖壓行業(yè)急需解決的問題。在此背景下，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人所開發(fā)出來的各種類型的沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生。

工業(yè)智能化與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，催生了龐大的專業(yè)技術(shù)人才需求缺口。因此，全國各大專業(yè)院校為了適應(yīng)社會(huì)人才需求，在幾年的時(shí)間里，開設(shè)了不少跟智能制造相關(guān)的自動(dòng)化類和機(jī)器人專業(yè)類的課程。

但是，各學(xué)校卻因?yàn)槭艿綀?chǎng)地、空間、資金和安全等因素的影響，難以完全按照企業(yè)生產(chǎn)線規(guī)模進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，甚至不能配備適合職業(yè)崗位需求、具備實(shí)際操作訓(xùn)練要求的實(shí)訓(xùn)設(shè)備和平臺(tái)，致使專業(yè)教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)脫鉤，嚴(yán)重影響到專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，如何開發(fā)適合專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求，又符合智能自動(dòng)化生產(chǎn)職業(yè)崗位要求的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，成了我們急需解決的問題。

（二）提出問題的解決方案：設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，以“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線”為例

應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)既節(jié)省了工時(shí)成本，解決了目前大多數(shù)企業(yè)用工難的問題，又解決了極端、危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境（如沖壓作業(yè)和危險(xiǎn)物料搬運(yùn)、加工等工作環(huán)境）由人工操作存在危險(xiǎn)的問題，現(xiàn)已成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。在目前很多企業(yè)陷入用工難的大環(huán)境下，機(jī)器人因其機(jī)械性能強(qiáng)、穩(wěn)定性好、可編程等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)和智能家居等領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。隨著智能領(lǐng)域和自動(dòng)化深入的發(fā)展，未來機(jī)器人在智能制造、工業(yè)自動(dòng)化和家居智能化等方面將發(fā)揮不可替代的作用。

為了服務(wù)社會(huì)的發(fā)展和企業(yè)智能自動(dòng)化崗位的需求，各大職業(yè)院校需要與時(shí)俱進(jìn)，開發(fā)近似實(shí)際生產(chǎn)要求的教學(xué)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐平臺(tái)和實(shí)訓(xùn)廠室，給學(xué)生創(chuàng)造更多的自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)踐機(jī)會(huì)，為社會(huì)輸送符合崗位需求的自動(dòng)化技能型人才。

工業(yè)機(jī)器人在沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用，是智能制造、自動(dòng)化生產(chǎn)的典型案例之一。

本文以“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)”為例，應(yīng)用ABB公司的IRB120機(jī)器人，論述了沖壓流水線教學(xué)實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，為工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)提供參考。

為什么采用IRB120機(jī)器人呢？因?yàn)楫?dāng)前從全球范圍來說，比較出名的工業(yè)機(jī)器人公司有安川、ABB、發(fā)那科、庫卡等。本實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)所采用的是ABB公司的IRB120機(jī)器人。它繼承了該系列機(jī)器人的所有功能、縮減占用面積、機(jī)型輕量化，具有低投資、高產(chǎn)出的優(yōu)勢(shì)。目前在自動(dòng)化生產(chǎn)線被廣泛地應(yīng)用，具有代表意義。

（三）確定沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能及設(shè)計(jì)開發(fā)流程

依據(jù)“沖壓流水線”實(shí)際工作情況，確定該自動(dòng)化生產(chǎn)線近似實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能和沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。

①?zèng)_壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能：此工作臺(tái)中，應(yīng)用具有六軸運(yùn)動(dòng)能力、高機(jī)械自由度的IRB120機(jī)器人，將它配上工具（如夾爪等）再采用液壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)物料夾取搬運(yùn)和加工的工作。物料在傳動(dòng)過程中，光電傳感器將物料的位置信息應(yīng)用外部傳感信號(hào)傳送給機(jī)器人和PLC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的目的。操作人員還可以通過示教器、觸摸屏參與機(jī)器人的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)器人的大腦，通過機(jī)器人的編程指令（沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線的編程指令在后面“ABB機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”部分有專門的介紹）支配機(jī)器人完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)路徑和動(dòng)作，最終完成沖壓流水線的自動(dòng)化生產(chǎn)過程。

②沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程包括：沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線工作流程設(shè)計(jì);沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線硬件的選擇;工作臺(tái)設(shè)計(jì);IO分配設(shè)計(jì);觸摸屏設(shè)計(jì);PLC與ABB機(jī)器人程序設(shè)計(jì);自動(dòng)化生產(chǎn)線工作臺(tái)的運(yùn)行調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)等。

二、沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與具體開發(fā)過程

（一）沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)工作流程設(shè)計(jì)

依據(jù)企業(yè)“沖壓流水線”工作實(shí)際，設(shè)計(jì)沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線工作平臺(tái)自動(dòng)化工作流程，其具體工作流程如圖1所示。

機(jī)器人先從未成品碼垛區(qū)將物塊搬出放到料井，再經(jīng)自動(dòng)系統(tǒng)的傳感、檢測(cè)、傳動(dòng)和加工，最后將物料放在成品碼垛區(qū)，完成整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)的過程。

（二）沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件的選擇

沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的硬件主要由 ABB/IRB 120機(jī)器人、三菱GT200觸摸屏、西門子S7-1200 PLC等構(gòu)成，運(yùn)用電腦對(duì)應(yīng)的編程軟件編寫相應(yīng)程序及制作觸摸屏畫面，載入系統(tǒng)完成調(diào)試即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能。下面講解工作平臺(tái)具體的設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程。

（三）沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程

1.工作臺(tái)的設(shè)計(jì)以及示教點(diǎn)的確定

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線工作臺(tái)及示教點(diǎn)如圖2所示，示教點(diǎn)的名稱和作用如表1所示。

設(shè)置示教點(diǎn)時(shí)必須注意，各個(gè)示教點(diǎn)都必須設(shè)置在機(jī)器人的奇點(diǎn)之內(nèi)，否則機(jī)器人超出其工作范圍將無法完成工作任務(wù)。

2.IO分配設(shè)計(jì)

① RB 型號(hào)：ABB/IRB 120

② RB IO卡名稱：DSQC652（見表2）

3.觸摸屏設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求，制作人機(jī)交互界面——觸摸屏。觸摸屏選擇的是三菱GT2000。先應(yīng)用三菱觸摸屏軟件GT Designer3制作好觸摸屏界面，再載入三菱GT2000觸摸屏中。操作人員可以通過設(shè)計(jì)好的觸摸屏實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、復(fù)位和模式切換等控制功能。

4.西門子PLC程序設(shè)計(jì)

流水線的自動(dòng)控制部分由西門子S7-1200完成。在沖壓流水線系統(tǒng)中，PLC掃描傳感信號(hào)和機(jī)器人的信號(hào)，進(jìn)行程序運(yùn)算，輸出指令控制皮帶和氣缸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。首先用西門子打造的集成機(jī)動(dòng)化編程軟件TIA portal v14編寫PLC程序，再將程序裝載到西門子S7-1200PLC中。根據(jù)沖壓流水線生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)具體PLC程序如下：

……

應(yīng)用TIA portal v14仿真程序，仿真成功后載入西門子S7-1200PLC中。

5.ABB機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用仿真軟件Robotstudio編寫機(jī)器人程序。ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件RobotStudio是針對(duì)ABB機(jī)器人開發(fā)的。它包含了ABB所有的機(jī)器人，有模擬示教器，跟真實(shí)的示教器一樣的操作功能?？梢栽谲浖锬M出你的使用環(huán)境，進(jìn)行編程，然后把做好的項(xiàng)目直接下載到你現(xiàn)場(chǎng)的控制器里。沖壓流水線的機(jī)器人主程序和子程序的設(shè)置如圖3所示。編寫好的程序仿真成功后再寫入到實(shí)際的機(jī)器人中。

①主程序與子程序的設(shè)置

②沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)器人程序

MODULELx_x

……

PROC main（）

reg1：= 0;

reg2：= 0;

MoveAbsJ Home＼NoEOffs，v200，fine，tool0;

FORiFROM 1 TO 6 DO

reg2：= reg2 + 1;

reg1：= reg1 + 1;

MoveLOffs（Su_Q{reg1}，0，0，100），v200，fine，tool0;

MoveLSu_Q{reg1}，v200，fine，tool0;

xi;

MoveLOffs（Su_Q{reg1}，0，0，100），v200，fine，tool0;

MoveLOffs（f_1，0，0，100），v200，fine，tool0;

MoveL f_1，v200，fine，tool0;

fan;

MoveLOffs（f_1，0，0，100），v200，fine，tool0;

WaitTime 5;

……

ENDPROC

ENDMODULE

將以上程序仿真成功后寫入到實(shí)際的機(jī)器人中。

6.調(diào)試

①先對(duì)各個(gè)設(shè)置的示教點(diǎn)示教（示教過程及示教點(diǎn)確定如圖4、圖5所示）。

②逐步測(cè)試機(jī)器人每條運(yùn)行路徑，完成整系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試

啟動(dòng)運(yùn)行，先用示教器進(jìn)行人機(jī)交互，使機(jī)器人逐步運(yùn)行每條運(yùn)動(dòng)指令，調(diào)試并確保每個(gè)操作過程準(zhǔn)確無誤。之后再進(jìn)行整個(gè)流水線的自動(dòng)運(yùn)行調(diào)試，測(cè)試每個(gè)控件和按鈕，確保它們正常工作。

三、應(yīng)用與反思

“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)工作臺(tái)”將整個(gè)沖壓流水線自動(dòng)生產(chǎn)過程集成到了一個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。設(shè)計(jì)與開發(fā)完成后投入到實(shí)際實(shí)訓(xùn)教學(xué)之中。學(xué)生通過系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)，提升了工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用與認(rèn)識(shí)，以及實(shí)際操作能力，為社會(huì)培養(yǎng)更符合崗位需求的技能型人才奠定基礎(chǔ)。

在“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中也遇到了一些問題：

1.為了節(jié)約成本，減少工作臺(tái)占用面積，整個(gè)平臺(tái)只采用一臺(tái)機(jī)器人參與自動(dòng)化作業(yè)，機(jī)器人工作區(qū)域又不能超出其奇點(diǎn)范圍。因此，工作臺(tái)的尺寸受到限制，必需嚴(yán)格控制在機(jī)器人的奇點(diǎn)范圍之內(nèi)，否則機(jī)器人將不能正常運(yùn)行。

2.除了各個(gè)工作區(qū)域需要遵循以上要求之外，機(jī)器人運(yùn)行過程中所涉及的各個(gè)示教點(diǎn)和運(yùn)行路徑也必須控制在奇點(diǎn)范圍內(nèi)。

3.機(jī)器人運(yùn)行過程中不能與工作臺(tái)任何部位產(chǎn)生碰撞，否則不僅會(huì)造成生產(chǎn)線事故，也會(huì)損壞機(jī)器人。例如，“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線工作臺(tái)”中的機(jī)器人，完成氣缸放料后從該點(diǎn)運(yùn)行到下次取料檢測(cè)位的過程中，需要繞過一個(gè)較高的沖壓工作區(qū)，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)不好就會(huì)與沖壓工作區(qū)發(fā)生碰撞，造成事故。

以上提出在“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線工作臺(tái)”設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和解決的辦法，為以后的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線工作平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考。

四、結(jié)語

隨著智能領(lǐng)域和自動(dòng)化深入的發(fā)展，未來機(jī)器人在智能制造、工業(yè)自動(dòng)化和家居智能化等方面將發(fā)揮不可替代的作用。

為了服務(wù)社會(huì)的發(fā)展和企業(yè)自動(dòng)化崗位的需求，各大職業(yè)院校已經(jīng)相繼開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人方向的自動(dòng)化專業(yè)，如何培養(yǎng)有專業(yè)技能水平、能解決實(shí)際生產(chǎn)問題的自動(dòng)化技能型人才，需要各職業(yè)院校的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，開發(fā)近似實(shí)際生產(chǎn)要求的教學(xué)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐平臺(tái)，突破因場(chǎng)地、時(shí)長和安全等因素對(duì)技能教學(xué)實(shí)踐的影響，給學(xué)生創(chuàng)造跟更多的自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)踐機(jī)會(huì)，方能更好地為社會(huì)輸送符合實(shí)際崗位需求的自動(dòng)化技能型人才。

“沖壓流水線自動(dòng)化生產(chǎn)線教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)”以沖壓流水自動(dòng)化生產(chǎn)線為例，講述了整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)如何采用西門子PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，運(yùn)用ABB工業(yè)機(jī)器代替人工進(jìn)行物料搬運(yùn)和自動(dòng)加工的全過程，系統(tǒng)描述了整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的過程，為工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)提供了參考。

責(zé)任編輯 朱守鋰