基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪浩，劉樹青, ，賈茜, ，王坤，汪木蘭

(南京工程學(xué)院 a. 工業(yè)中心； b. 先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

0 引言

汽車機(jī)油泵是將機(jī)油提高到一定壓力后，強(qiáng)制地壓送到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各零件運(yùn)動(dòng)表面上的一個(gè)部件，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能。機(jī)油泵殼體是機(jī)油泵的主要部件，是汽車生產(chǎn)中大批量制造的一種典型殼體類零件，也是影響機(jī)油泵生產(chǎn)效率的重要因素。機(jī)油泵殼體的毛坯采用鋁合金材料壓鑄而成，其主要加工工序?yàn)榇旨庸ざ嗣?、打孔、銑槽和精加工端面[1-2]。在進(jìn)入本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)前，機(jī)油泵殼體已是半成品，本文所涉及的加工僅是2個(gè)Φ37mm和Φ19mm螺旋槽的銑削以及Φ6mm孔的粗精鏜。如圖1所示。

圖1 待加工機(jī)油泵殼體

經(jīng)測量，數(shù)控機(jī)床加工機(jī)油泵殼體的總時(shí)間約為1min/件。因現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床只能完成兩層托盤的交換，所以機(jī)床每加工完成一層托盤，工人就要上料。工人上下料的節(jié)拍約為16min，每個(gè)工人只能完成2臺(tái)數(shù)控機(jī)床的上下料管理，工廠所需人工數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了提高機(jī)油泵殼體的加工效率，本文設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)上下料系統(tǒng)，并進(jìn)行了該系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及生產(chǎn)信息管理。該系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床、桁架式機(jī)器人、自動(dòng)托盤庫等設(shè)備組成，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工、成品入庫等功能。

1 控制要求和方案

效率是上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。提高效率就需要提高運(yùn)行速度，降低單件生產(chǎn)時(shí)間；其次是要提高定位精度。由于加工過程沒有人工參與，零件需要準(zhǔn)確定位以便自動(dòng)加工。通過設(shè)計(jì)一套自動(dòng)上下料裝置，可以對(duì)機(jī)油泵殼體的生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)中常用的自動(dòng)上下料裝置有兩種：一是桁架機(jī)器人,結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)速度快，動(dòng)作平穩(wěn)性較高，適合大批量生產(chǎn)；二是關(guān)節(jié)機(jī)器人，其動(dòng)作靈活，適用性較強(qiáng)[3]。本文采用桁架機(jī)器人，既可以滿足功能要求又具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

桁架機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)左右、上下兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)。這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)精確定位。機(jī)器人手爪采用氣壓傳動(dòng)，末端執(zhí)行器為夾緊氣缸，工作時(shí)反應(yīng)速度快，并且有很強(qiáng)的自保持能力。為進(jìn)一步節(jié)約時(shí)間，采用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)換料操作。

為滿足機(jī)油泵殼體的加工工藝要求，在數(shù)控車床上增加了銑削動(dòng)力裝置和C軸功能，以滿足零件車銑復(fù)合加工要求。采用適合加工小型精密零件的排刀式刀架，排刀直接跟隨工作臺(tái)移動(dòng)，能夠快速更換刀具，加工精度高、效率也比較高。綜合上述考慮，設(shè)計(jì)了如圖2所示的數(shù)控機(jī)床及上下料系統(tǒng)。

圖2 數(shù)控機(jī)床及上下料系統(tǒng)

2 上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 桁架機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的桁架機(jī)器人具有兩個(gè)自由度，采用交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠和滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并通過蓋板將電機(jī)以及絲杠密封。整個(gè)桁架機(jī)器人通過立柱與機(jī)床連接。圖3為機(jī)械手主要組成部件。

圖3 機(jī)械手及主要部件

該機(jī)械手由12個(gè)零部件組成，其中主要的部件為燕尾槽連接塊、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及末端氣爪。機(jī)械手通過滑塊連接板與豎直方向的滑臺(tái)固定；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)氣缸相連接，實(shí)現(xiàn)手爪的轉(zhuǎn)位；由于氣缸的爪子伸出長度較短，為保證夾取工件的要求，在氣缸的末端設(shè)計(jì)了專門的氣爪，從而增加機(jī)構(gòu)的柔性。

手爪的夾緊氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸均采用三位四通電磁換向閥。當(dāng)手爪到達(dá)取料位置時(shí)，夾緊氣缸的鎖緊電磁閥通電，待完成取料動(dòng)作后，滑臺(tái)配合移動(dòng)至放料點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作完成機(jī)器人毛坯爪與成品爪的位置轉(zhuǎn)換。夾緊氣缸的松開電磁閥再通電，完成放料動(dòng)作。

2.2 上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備包括數(shù)控車削中心、桁架機(jī)器人、自動(dòng)升降料倉等主要模塊。為保證各部分之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括西門子808D數(shù)控系統(tǒng)、S7-1200 PLC、V90伺服驅(qū)動(dòng)器、KTP700 Basic精簡面板觸摸屏、M430步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等，控制系統(tǒng)的連接如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，基于西門子博圖軟件完成PLC程序設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)塊共享，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料控制要求。

圖4 控制系統(tǒng)連接圖

銑削裝置作為第二主軸由MM440變頻器直接驅(qū)動(dòng)電主軸，車削加工時(shí)，主軸只需速度控制，銑削加工時(shí)需要切換到位置控制模式，即C軸功能，實(shí)現(xiàn)主軸周向任意位置控制并和其他伺服軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，配合動(dòng)力刀具實(shí)現(xiàn)螺旋槽等型面的加工。

采用西門子S7-1200PLC對(duì)桁架機(jī)器人橫向和縱向滑臺(tái)的V90伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。S7-1200PLC具有穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)還具備強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能。V90伺服驅(qū)動(dòng)器具有極高的定位精度，完成機(jī)械手上下料的精確位置控制，具有PN接口，可方便實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置與故障診斷[4]。通過Profinet總線通信，實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及料倉之間的信息交換。

上下料系統(tǒng)的PLC程序基于博圖軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，包括組織塊OB、函數(shù)塊FB與FC、數(shù)據(jù)塊DB。整個(gè)控制程序由主程序和各功能模塊子程序組成，采用模塊化結(jié)構(gòu)?；诓┩拒浖?，可以很方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序的編寫。西門子S7-1200PLC對(duì)V90伺服驅(qū)動(dòng)的基本定位控制功能塊為FB284，此功能塊的調(diào)用配合西門子標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文可激活驅(qū)動(dòng)模塊中基本定位工藝功能，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置控制。

上下料系統(tǒng)的動(dòng)作流程如下：

第1步:機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至毛坯料的正上方；

第2步：半成品料倉上移，托盤移動(dòng)至指定位置；

第3步：機(jī)械手抓取半成品料；

第4步：機(jī)械手移動(dòng)至機(jī)床卡盤正前側(cè)；

第5步：機(jī)械手完成和卡盤上的工件交換；

第6步：數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工；

第7步：機(jī)械手將加工完成的工件放回至托盤。

待整個(gè)托盤內(nèi)的零件全部加工完成后，同步帶模組將托盤移至成品料倉內(nèi)，即完成了一塊托盤內(nèi)零件的加工。重復(fù)以上動(dòng)作，完成所有托盤內(nèi)零件的加工。

在每個(gè)動(dòng)作完成后都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器用來檢測動(dòng)作是否完成到位，并通過面板的狀態(tài)監(jiān)控實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。

3 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

基于NX軟件的MCD(mechatronics concept design)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)床上下料系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試。MCD的半實(shí)物調(diào)試功能可以使三維數(shù)字模型與實(shí)物(PLC或數(shù)控系統(tǒng))聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物的仿真調(diào)試與功能驗(yàn)證，即可以通過OPC或者內(nèi)存共享，實(shí)現(xiàn)實(shí)物與MCD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。具體實(shí)現(xiàn)方法涉及到工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，從而可在MCD環(huán)境下顯示數(shù)字模型的運(yùn)動(dòng)和行為[5]。

具體實(shí)施步驟如下：首先，基于NX軟件建立數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)的三維模型，相當(dāng)于數(shù)字孿生技術(shù)中的數(shù)字模型[6]；然后在MCD模塊中對(duì)所建立的數(shù)字模型進(jìn)行配置，賦予其必要的物理、力學(xué)屬性；再通過SIMIT軟件以共享內(nèi)存的方式，實(shí)現(xiàn)MCD與控制軟件的數(shù)據(jù)交換，完成類似于實(shí)物真實(shí)運(yùn)行的模擬調(diào)試，從而達(dá)到對(duì)所設(shè)計(jì)的上下料系統(tǒng)進(jìn)行測試、優(yōu)化的目的。

3.1 MCD配置

MCD中的配置包括各運(yùn)動(dòng)部件的剛體、碰撞體設(shè)置、運(yùn)動(dòng)副設(shè)置、傳感器配置等。將桁架機(jī)器人水平移動(dòng)的軸命名為U軸，設(shè)置為移動(dòng)副；將上下移動(dòng)的軸命名為V軸，也設(shè)置為移動(dòng)副；將手爪旋轉(zhuǎn)的軸命名為W軸，設(shè)置為鉸鏈副。對(duì)這些運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行相應(yīng)的位置控制。

3.2 SIMIT配置

SIMIT是一款用于自動(dòng)化項(xiàng)目虛擬仿真測試的軟件，可以實(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號(hào)的仿真、現(xiàn)場設(shè)備的仿真以及整個(gè)工廠工藝的仿真[7]。數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)的虛擬調(diào)試主要使用SIMIT完成PLC輸入輸出信號(hào)的處理、共享內(nèi)存的建立以及信號(hào)的傳輸，從而將PLC信號(hào)映射到MCD中的機(jī)床上下料系統(tǒng)數(shù)字模型，完成仿真運(yùn)行測試。

為了實(shí)現(xiàn)這一功能，首先要將PLC程序中設(shè)置的I/O信號(hào)地址加載到SIMIT平臺(tái)并進(jìn)行分類。SIMIT平臺(tái)與軸控制相關(guān)的數(shù)據(jù)為雙字型，而從PLC中導(dǎo)入的為字型，因此需要將數(shù)據(jù)類型進(jìn)行整合。其次是建立共享內(nèi)存模塊，共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)將用于MCD中模型的信號(hào)輸入，從而實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試。圖5所示為共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

圖5 共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)

最后，通過ADAS模塊將PLC 的I/O控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為MCD能夠識(shí)別的軸運(yùn)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型中軸的虛擬運(yùn)動(dòng)。整個(gè)虛擬調(diào)試系統(tǒng)的信息循環(huán)流程如圖6所示。

圖6 虛擬調(diào)試信息傳輸鏈

3.3 虛擬調(diào)試

在完成數(shù)字模型的相關(guān)設(shè)置以及與控制信號(hào)的連接后，可以在機(jī)電一體化平臺(tái)上進(jìn)行基于數(shù)字孿生模型的虛擬調(diào)試，從而達(dá)到高效驗(yàn)證模型、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。例如，通過對(duì)桁架機(jī)器人水平方向運(yùn)動(dòng)的虛擬調(diào)試，可以對(duì)其運(yùn)行速度、所能到達(dá)的位置范圍等進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)虛擬調(diào)試的結(jié)果對(duì)桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在制造自動(dòng)化裝備開發(fā)過程中的應(yīng)用。通過對(duì)機(jī)油泵殼體這一制造業(yè)中典型零件的加工效率進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套以桁架機(jī)器人為中心的上下料系統(tǒng)。通過對(duì)桁架機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使汽車機(jī)油泵殼體的加工生產(chǎn)效率大大提高，節(jié)約了人力成本。基于數(shù)字孿生技術(shù)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)及虛擬調(diào)試，有效縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)又降低了新產(chǎn)品研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和研發(fā)投入。可以預(yù)見數(shù)字孿生技術(shù)將在智能制造時(shí)代發(fā)揮重要的作用。