自動化控制技術(shù)在機(jī)床上下料中的應(yīng)用分析

尹文芳

（湖南中南智能裝備有限公司，湖南長沙，410117）

0 引言

在國家大力發(fā)展智能制造的背景下，工業(yè)機(jī)器人作為先進(jìn)裝備制造業(yè)中不可替代的重要裝備，已成為中國工業(yè)自動化技術(shù)與應(yīng)用的生力軍。隨著工業(yè)機(jī)器人與電子技術(shù)、視覺識別、無線通訊等的融合，其應(yīng)用逐步擴(kuò)展到電子電氣行業(yè)、金屬制品業(yè)（包括機(jī)械）、橡膠及塑料工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域[1]。

針對傳統(tǒng)機(jī)床加工行業(yè)加工產(chǎn)品需求量大，且品種繁多，操作人員勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，定位精度不高的缺點(diǎn)，具備視覺檢測功能的機(jī)器人智能加工線能夠更好地解決傳統(tǒng)機(jī)床加工制造企業(yè)招工難，產(chǎn)品加工質(zhì)量一致性差的問題，同時(shí)為傳統(tǒng)機(jī)床加工工廠建設(shè)整套的智能化、無人化的生產(chǎn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中[2]。工業(yè)機(jī)器人基本組成為肘節(jié)式6軸結(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體，控制柜和示教控制器。在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中不同的應(yīng)用場景配有不同的機(jī)器人夾具，用于完成工件的抓取和放置。

機(jī)床上下料機(jī)器人是在數(shù)控機(jī)床上下料環(huán)節(jié)取代了人工的完成工件的自動裝卸功能。機(jī)器人夾具采用雙夾具結(jié)構(gòu)，有效提升機(jī)器人搬運(yùn)效率，根據(jù)不同型號的工件產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)計(jì)專用換型抓手，同時(shí)兼容多種工件產(chǎn)品的生產(chǎn)，通用型強(qiáng)，且配置自動吹氣裝置，實(shí)現(xiàn)切削液清理和加工鐵屑清理。同時(shí)，為了滿足兼容多臺機(jī)床上下料的需求，生產(chǎn)線配備機(jī)器人直線導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上安裝一臺工業(yè)機(jī)器人，直線導(dǎo)軌伺服電機(jī)驅(qū)動，具有重復(fù)定位精度高，響應(yīng)速度快，運(yùn)動平穩(wěn)等特點(diǎn)。機(jī)器人直線導(dǎo)軌采用專門設(shè)計(jì)齒輪齒條消隙機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)補(bǔ)償齒輪副的安裝誤差、齒輪的裝配誤差，齒輪發(fā)熱變形等因素引起的尺寸偏差，有效地提高機(jī)器人地軌（導(dǎo)軌）的使用壽命，其重復(fù)精度高達(dá)±0.03mm，數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，主要適應(yīng)的對象大多為大批量重復(fù)性或者是工件質(zhì)量較大以及工作環(huán)境惡劣條件。

圖1 工廠實(shí)景圖

2 PLC控制系統(tǒng)概述

■2.1 可編程控制器PLC

PLC是可編程控制器的簡稱，自20世紀(jì)60年代問世以來，由于它具有使用方便、可靠性極高、價(jià)格適中等特點(diǎn)，一直處于迅猛發(fā)展?fàn)顟B(tài)，已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大技術(shù)（機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和PLC技術(shù)）支柱之一。PLC本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計(jì)算機(jī)，因此它與一般的控制機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC的主要特點(diǎn)是與控制對象有更強(qiáng)的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要圍繞著適宜于過程控制，即過程中數(shù)據(jù)的采集和控制信號的輸出以及數(shù)據(jù)的處理要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

■2.2 PLC控制系統(tǒng)性能

在機(jī)床自動上下料生產(chǎn)線應(yīng)用中，控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，CPU自帶編程接口，配置輸入輸出模塊及穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)采用PLC控制機(jī)床工位、液壓設(shè)備、上下料機(jī)器人、去毛刺設(shè)備、安全防護(hù)等系統(tǒng)的協(xié)同動作，系統(tǒng)帶斷電記憶保護(hù)功能，來電后可按原程序斷電點(diǎn)繼續(xù)作業(yè)，每套系統(tǒng)與數(shù)控設(shè)備的控制系統(tǒng)對接，通過觸摸屏反映產(chǎn)品加工的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并與上位機(jī)關(guān)聯(lián)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

■2.3 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

控制系統(tǒng)通過標(biāo)配的通信接口與觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)通訊，通過通訊總線方式通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與夾具、輸送機(jī)、專機(jī)設(shè)備其它外圍設(shè)備等的聯(lián)動，并實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線之間的互聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)配視覺系統(tǒng)，通過它來讀取產(chǎn)品的位置，以便機(jī)器人進(jìn)行精確的抓取動作。

控制系統(tǒng)采用了硬接線的方式，與每臺數(shù)控機(jī)床相連?？刂葡到y(tǒng)給每臺數(shù)控機(jī)床的控制信號均通過繼電器進(jìn)行中轉(zhuǎn)。通過對每臺數(shù)控機(jī)床的推拉門進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)其的協(xié)同全自動控制。

圖3 視覺控制示意圖

3 自動化控制關(guān)鍵技術(shù)

■3.1 視覺及測距控制

機(jī)床上料過程中，存在不同品種工件產(chǎn)品毛坯厚度不一致使得機(jī)器人抓取位置不一致，最終導(dǎo)致工件加工厚度不合格或工件上下表面加工面平面度不合格的問題。通過采用視覺控制技術(shù)，配合獨(dú)立設(shè)計(jì)伺服旋轉(zhuǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)工件自動位置找正，同時(shí)解決機(jī)器人正確識別工件放置角度的問題，以達(dá)到準(zhǔn)確上料目標(biāo)。

視覺控制通過相機(jī)對工件進(jìn)行拍照，圖像處理單元對工件圖片進(jìn)行處理，并將工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋給機(jī)器人，控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)工件抓??；測距系統(tǒng)測量工件底面到測距系統(tǒng)發(fā)光面面的距離，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元將測量的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工件位置補(bǔ)償。

■3.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)及伺服控制

伺服控制為機(jī)器人增加了行走軸和工件擺正旋轉(zhuǎn)軸兩個(gè)外部軸。該設(shè)計(jì)集成兩個(gè)伺服電機(jī)、行走導(dǎo)軌及旋轉(zhuǎn)平臺。機(jī)器人本體安裝在行走導(dǎo)軌上，伺服電機(jī)控制機(jī)器人的移動以保證其在多機(jī)床不同位置的精準(zhǔn)作業(yè)；通過機(jī)器人夾具上的視覺系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺上的伺服電機(jī)配合作業(yè)，完成工件的擺正或工件特征識別，及有效避免了機(jī)器人重復(fù)操作導(dǎo)致工件碰撞問題。

■3.3 機(jī)床協(xié)調(diào)控制

設(shè)計(jì)采集機(jī)床自動門、輔助裝置檢測信號、機(jī)床加工信號、液壓夾具檢測等信號，并與機(jī)床控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，集中控制機(jī)床自動門、裝夾工件裝置、液壓設(shè)備及其他輔助裝置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)床等設(shè)備協(xié)調(diào)控制，共同完成全自動加工及上下料的工件生產(chǎn)。

■3.4 控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)上位管理系統(tǒng)

PLC具有以太網(wǎng)接口，并支持TCP/IP通訊協(xié)議，可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至上位管理系統(tǒng)，包括加工線計(jì)劃生產(chǎn)量，當(dāng)前生產(chǎn)總量，工件型號等。同時(shí)，所有聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)信息，如報(bào)警信息以及工作、空閑和故障狀態(tài)都可以通過PLC反饋至上位管理系統(tǒng)，為加工線產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、故障信息統(tǒng)計(jì)和報(bào)警統(tǒng)計(jì)等提供基礎(chǔ)報(bào)表的數(shù)據(jù)支持。

圖4 PLC與機(jī)器人控制示意圖

上位管理系統(tǒng)可自動從PLC獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫，然后通過服務(wù)調(diào)用信息上傳接口，把相應(yīng)的標(biāo)簽信息上傳到WMS系統(tǒng)。

4 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人、視覺相機(jī)具有重復(fù)定位精度高、可靠性高、生產(chǎn)柔性化及自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢，與人工操作相比，可全天候24小時(shí)生產(chǎn)，同時(shí)改善工人勞動條件，降低機(jī)加工車間重金屬對工人帶來的危害，同時(shí)能夠極大地提高工件生產(chǎn)質(zhì)量，全面提升生產(chǎn)效率，減少企業(yè)人力管理成本。

圖5 機(jī)床協(xié)調(diào)控制流程圖

自動化控制技術(shù)在機(jī)床上下料中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)加產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證加工件質(zhì)量的高精度與一致性，并提高了生產(chǎn)效率，降低對工人操作技術(shù)難度的要求。在國家工業(yè)智能化自動化大環(huán)境驅(qū)動下，自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用必然會推動機(jī)床上下料智能加工線的全面應(yīng)用與發(fā)展。