基于工業(yè)機(jī)器人的輪轂柔性加工生產(chǎn)線的應(yīng)用研究

李 野

（沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司， 遼寧 沈陽 110169）

1 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展， 智能加工領(lǐng)域勢必會朝多種類、 小規(guī)模、 定制化、 柔性化等方面發(fā)展， 另外現(xiàn)代生產(chǎn)線對自動化、 數(shù)字化、 集成化、 網(wǎng)絡(luò)化需求也越來越多。 而在智能加工領(lǐng)域， 數(shù)控機(jī)床作為加工的核心設(shè)備， 在零件的切削加工中必不可少， 工業(yè)機(jī)器人作為一種主要的自動化設(shè)備， 在智能加工系統(tǒng)中起到重要作用，可以代替人完成繁鎖、 重復(fù)、 勞動強(qiáng)度大的動作， 利用工業(yè)機(jī)器人取代人工， 可以在惡劣的環(huán)境下高效的完成批量生產(chǎn)、 長時間工作并能明顯的降低制造成本［1-3］。 將數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人有機(jī)結(jié)合， 同時利用聯(lián)網(wǎng)通訊共同完成零部件的加工制造， 從而形成一套完整的自動化、 集成化的柔性加工系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的組成

該生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)合自動上料輸送單元、 機(jī)器人搬運(yùn)單元、 翻轉(zhuǎn)換面單元、 清洗單元、 在線檢測單元、 廢料處理單元、 中轉(zhuǎn)緩存單元、 角向定位單元、 數(shù)控加工系統(tǒng)及信息管理系統(tǒng)形成一套完整的智能加工單元， 同時借助PLC 系統(tǒng)的配方功能， 實(shí)現(xiàn)同類多品種、 多規(guī)格的輪轂全自動加工過程。 該系統(tǒng)通過車削加工單元與銑削加工單元相結(jié)合， 能夠?qū)崿F(xiàn)輪轂軸承孔、 油封孔、 齒圈安裝圓和面、 制動鼓（盤） 安裝圓和面、 輪轂螺栓孔、 制動鼓（盤） 連接孔、 接油盤連接孔的加工。 同時， 根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)， 制定合理的加工工藝與加工時序， 最終形成以三臺立式車床與三臺立式加工中心為制造核心的全自動加工生產(chǎn)線系統(tǒng)， 系統(tǒng)布局圖如圖1 所示。

通過該系統(tǒng)能夠有效的完成輪轂的全自動加工與在線檢測， 實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)。

圖1 系統(tǒng)布局圖

2.1 數(shù)控加工機(jī)床

數(shù)控加工機(jī)床作為機(jī)械加工領(lǐng)域的核心設(shè)備， 在零部件的切削、 鉆、 鏜等加工中起到重要的作用， 長時間以來， 數(shù)控加工機(jī)床作為獨(dú)立的加工單元投入使用， 通過編程， 實(shí)現(xiàn)零部件的自動加工。 而隨著信息技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)控加工機(jī)床已經(jīng)不再是獨(dú)立的加工單元， 而是作為智能制造系統(tǒng)中的一個核心環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)， 通過與多設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊， 實(shí)現(xiàn)同類別、 多種類、 定制化、 柔性化的加工制造過程， 并且通過信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床信息的實(shí)時采集， 能夠?qū)崟r的對機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)、 刀具信息等進(jìn)行實(shí)時顯示， 從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化監(jiān)控， 本系統(tǒng)采用立式車床與立式加工中心組成輪轂柔性加工系統(tǒng)， 可完成輪轂軸承孔、 油封孔、 齒圈安裝圓和面、 制動鼓 （盤） 安裝圓和面、 輪轂螺栓孔、 制動鼓 （盤） 連接孔、接油盤連接孔的全自動加工。

2.2 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)在制造領(lǐng)域重要的組成部分， 其作用已日益凸顯， 特別在勞動強(qiáng)度大、 環(huán)境危險、 工作繁瑣重復(fù)等領(lǐng)域。 而工業(yè)機(jī)器人在眾多領(lǐng)域中的輔助作用， 可替代人工， 實(shí)現(xiàn)環(huán)境惡劣下的批量生產(chǎn)、 長時間作業(yè)， 從而顯著減低生產(chǎn)成本。 基于機(jī)器人的優(yōu)勢， 許多加工制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與數(shù)控加工機(jī)床的協(xié)同作業(yè)。而隨著信息技術(shù)的發(fā)展， 實(shí)現(xiàn)集成化、 網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的生產(chǎn)模式是未來發(fā)展的重要方向。 結(jié)合輪轂搬運(yùn)的要求， 本系統(tǒng)采用六軸的關(guān)節(jié)型機(jī)器人， 形成一套完整的輪轂搬運(yùn)系統(tǒng)， 其中一臺機(jī)器人配備有第七軸外部移動滑道， 可以實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域內(nèi)的任意移動， 加大機(jī)器人運(yùn)行范圍， 通過機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輪轂的自動搬運(yùn)、 上料、 下料、 轉(zhuǎn)存等一系列動作。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖2 所示， 機(jī)器人根據(jù)PLC 系統(tǒng)下發(fā)的指令， 進(jìn)行上料位置物料的抓取， 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行機(jī)床的上料操作，OP1 機(jī)床加工完成工序一后， 機(jī)器人抓取零件放置OP2 機(jī)床加工工序二， 待加工完成后將零件放置到清洗機(jī)進(jìn)行清洗和空氣吹掃， 完成零件的清洗和烘干， 機(jī)器人將零件放置到檢測機(jī)進(jìn)行檢測， 檢測數(shù)據(jù)合格后， 機(jī)器人抓取零件放置到中轉(zhuǎn)輸送機(jī)到后續(xù)工位， 若檢測數(shù)據(jù)不合格， 機(jī)器人抓取零件放置到廢料線， 廢料線采用一步一停的控制方式， 同時配備有手動和自動的按鈕盒，方便工人操作， 廢料線放滿后具有提示信息， 提示人工即時處理。 同時， 檢測系統(tǒng)將檢測的數(shù)據(jù)上傳給信息管理系統(tǒng)， 管理系統(tǒng)對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計記錄， 同時對于不合格的零件， 進(jìn)行刀具補(bǔ)償計算， 并將刀具補(bǔ)償信息發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)床，機(jī)床根據(jù)刀具補(bǔ)償信息對后續(xù)加工的零件進(jìn)行刀具補(bǔ)償， 確保加工尺寸符合要求。

通過中轉(zhuǎn)輸送機(jī)輸送到加工中心工位， 加工中心加工的孔位對零件的外形具有角向定位的要求， 機(jī)器人抓取中轉(zhuǎn)輸送機(jī)上的零件， 放置到角向定位臺上， 通過角向定位臺， 實(shí)現(xiàn)工件的唯一角向， 并通過機(jī)器人將零件放置到加工機(jī)床中進(jìn)行孔位的加工過程。 加工完成后， 機(jī)器人抓取零件放置到下料輸送線， 并輸送到最終清洗工位，進(jìn)行零件的最終清洗， 最后由人工進(jìn)行下料， 碼放到指定物料箱中， 完成零件的自動加工過程。

圖2 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個輪轂柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)中通過管理層、 控制層、 執(zhí)行層三個層級實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制與運(yùn)行， 實(shí)現(xiàn)各個分系統(tǒng)的信息交互、 控制指令交互、 執(zhí)行動作交互， 從而實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的控制與信息處理， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

在整個系統(tǒng)中， 通過PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)線的總體控制過程， 通過信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息處理， 同時信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)床的程序管理、 刀具壽命管理、 刀具補(bǔ)償、 顯示各機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)、 機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)信息報表自動生成并分級自動郵件發(fā)送、 生產(chǎn)統(tǒng)計分析、 生產(chǎn)過程監(jiān)控。 本系統(tǒng)中控制層與執(zhí)行層間， 根據(jù)設(shè)備的情況分別采用IO 通訊與Profinet通訊兩種方式［4］， 管理層與各控制單元采用TCP/IP、 OPC 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交互［5，6］， 實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互， 生產(chǎn)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 生產(chǎn)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5 柔性化控制策略

為了能夠滿足同類、 同工藝加工產(chǎn)品的需求，在生產(chǎn)中特別添加配置界面， 通過簡單的觸摸屏設(shè)置， 即可完成新產(chǎn)品的配置， 同時進(jìn)行機(jī)器人程序、 機(jī)床加工程序的編寫， 可以快速的完成零件的換產(chǎn)功能， 本系統(tǒng)中通過西門子PLC 的配方功能， 在設(shè)計的觸摸屏界面上完成產(chǎn)品名稱、 產(chǎn)品型號、 產(chǎn)品類別、 產(chǎn)品工序號、 產(chǎn)品加工工序工時信息設(shè)置， 如圖5 生產(chǎn)線配置界面所示， 信息錄入確定后， 即完成新增產(chǎn)品的配置， 系統(tǒng)再次加工該產(chǎn)品時， 可通過產(chǎn)品信息選擇界面進(jìn)行產(chǎn)品的直接選擇， 完成生產(chǎn)線加工產(chǎn)品的程序配置。

圖5 生產(chǎn)線配置界面

6 結(jié)束語

該套系統(tǒng)在國內(nèi)某輪轂部件廠應(yīng)用， 不僅解決了加工中勞動強(qiáng)度大、 重復(fù)性高的問題， 同時利用該套系統(tǒng)能夠全面的監(jiān)視生產(chǎn)中各個環(huán)節(jié)，同時利用柔性的生產(chǎn)功能， 可以完成同類產(chǎn)品的全面加工， 保證生產(chǎn)穩(wěn)定性的同時， 又提高了生產(chǎn)效率。 該系統(tǒng)的引入為多品種、 小批量的生產(chǎn)帶來一種全新的生產(chǎn)應(yīng)用模式， 而該模式的應(yīng)用也會為今后制造企業(yè)進(jìn)行柔性化、 智能化、 數(shù)字化的生產(chǎn)變革提供一種應(yīng)用支撐。