密封工件自動(dòng)上下料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：信息化與工業(yè)化的不斷融合推動(dòng)了智能制造的發(fā)展，其中以“機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床”組成的柔性制造單元更是目前制造領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。針對(duì)企業(yè)提出的密封工件自動(dòng)化上下料的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一條由注塑機(jī)、油溫機(jī)、振動(dòng)盤、切邊機(jī)、RB08型號(hào)機(jī)器人等設(shè)備組成的智能生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線融合了制造執(zhí)行系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、PLC控制技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等各類新技術(shù)，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求和生產(chǎn)節(jié)拍基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了密封工件全自動(dòng)上下料加工，協(xié)助企業(yè)實(shí)現(xiàn)了密封工件的大批量、自動(dòng)化、高效率生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：RB08工業(yè)機(jī)器人;數(shù)控機(jī)床;自動(dòng)上下料

0 ? ?引言

國家政策的支持與工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)了現(xiàn)代新技術(shù)與制造業(yè)的深度融合。工業(yè)機(jī)器人配合高端數(shù)控機(jī)床組成的智能生產(chǎn)線屬于智能制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的零部件生產(chǎn)中[1]。在眾多智能產(chǎn)線應(yīng)用中，自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線的柔性加工由于能代替人工完成重復(fù)、繁重的上下料加工作業(yè)，且系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、靈活性和高效性等優(yōu)勢而備受各類企業(yè)的青睞。下面主要結(jié)合具體的生產(chǎn)線案例進(jìn)行具體說明，該產(chǎn)線引入廣州數(shù)控研發(fā)生產(chǎn)的RB08型號(hào)工業(yè)機(jī)器人，并與其他相關(guān)設(shè)備組合，實(shí)現(xiàn)某密封工件加工過程中的自動(dòng)取料、上料、下料、裝夾、零件移位和翻轉(zhuǎn)等，有效縮短了密封工件生產(chǎn)過程中的加工準(zhǔn)備和輔助時(shí)間。另外，本文所述自動(dòng)化智能生產(chǎn)線除了適應(yīng)本密封工件的加工外，還可以適應(yīng)大多數(shù)零件的加工，具有強(qiáng)大的柔性功能。

1 ? ?密封工件加工工藝流程分析

工藝流程分析是智能生產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需要結(jié)合本密封工件的加工精度和相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行分析，從而制訂出詳細(xì)的加工工藝流程。該企業(yè)原有密封工件的生產(chǎn)是人工將工件插入注塑機(jī)，完成注塑后再人工取出工件至切水口裝置上，不僅生產(chǎn)效率低，且人工操作具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，為此對(duì)該工件原生產(chǎn)模式進(jìn)行自動(dòng)化改造。本改造需要借助一臺(tái)機(jī)器人、外夾工件等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料，同時(shí)要求工作站相對(duì)獨(dú)立，工業(yè)機(jī)器人與注塑機(jī)、切邊機(jī)及工裝夾具等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)組線，PLC進(jìn)行控制檢測和系統(tǒng)調(diào)度，形成加工過程無人值守、整體布局簡潔實(shí)用、便于操作和維護(hù)、具有安全防護(hù)功能的生產(chǎn)中心[2]。

本產(chǎn)線的主要設(shè)計(jì)目的是通過引入機(jī)器人代替人工完成密封工件的自動(dòng)上下料作業(yè)，實(shí)現(xiàn)密封工件高質(zhì)量、高效率的批量化生產(chǎn)。生產(chǎn)線涉及的主要設(shè)備有注塑機(jī)、油溫機(jī)、振動(dòng)盤、切邊機(jī)、RB08型號(hào)機(jī)器人等，具體的工作流程步驟如下：

步驟1，檢測設(shè)備無異常后，機(jī)器人上料至注塑機(jī);

步驟2，注塑機(jī)進(jìn)行密封工件注塑加工;

步驟3，注塑機(jī)完成工件的注塑作業(yè)后，機(jī)器人抓手抓取工件至切水口裝置上方，切水口完成;

步驟4，機(jī)器人下料至振動(dòng)盤，振動(dòng)盤自動(dòng)上料至切邊機(jī)，完成切邊機(jī)的切邊作業(yè);

步驟5，切邊機(jī)切邊完成后，機(jī)器人下料至下料框;

步驟6，當(dāng)下料框堆滿后，機(jī)器人暫停作業(yè)，人工推走下料框，并換上新的下料框。

2 ? ?智能上下料生產(chǎn)線的整體布局設(shè)計(jì)

2.1 ? ?密封工件自動(dòng)上下料智能產(chǎn)線的需求分析

在進(jìn)行本智能上下料生產(chǎn)線的整體布局設(shè)計(jì)前，需要對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)車間進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并結(jié)合企業(yè)的未來發(fā)展規(guī)劃，完成對(duì)密封工件自動(dòng)上下料生產(chǎn)線的需求分析，具體如下：

（1）該智能生產(chǎn)線需要滿足多規(guī)格、多型號(hào)的型材上下料生產(chǎn)，突出生產(chǎn)柔性與靈活性，滿足企業(yè)不同產(chǎn)品加工需求。

（2）基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)上下料工藝流程，在連續(xù)自動(dòng)上下料的過程中，各工位的各項(xiàng)功能能夠在控制系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)自行調(diào)節(jié)，同時(shí)確保自動(dòng)上下料動(dòng)作精準(zhǔn)迅速，與工位生產(chǎn)節(jié)拍一致。

（3）密封工件智能生產(chǎn)線的整體布局設(shè)計(jì)需要結(jié)合該企業(yè)現(xiàn)有資源、廠房布局和未來發(fā)展規(guī)劃開展，設(shè)計(jì)的產(chǎn)線除了滿足本密封工件的生產(chǎn)技術(shù)要求外，還要預(yù)留改善的空間，方便日后進(jìn)行產(chǎn)線新功能添加，提高生產(chǎn)線環(huán)境適應(yīng)能力。

2.2 ? ?生產(chǎn)線整體布局

借助數(shù)字孿生技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工藝，本生產(chǎn)線以上述工作流程為基礎(chǔ)，以“設(shè)計(jì)—工藝—制造調(diào)試”為布局思路，經(jīng)過不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定的智能生產(chǎn)線的整體布局如圖1所示。

密封工件加工是將直徑為52 mm的SPCC鐵件按照?qǐng)D樣要求加工成成品工件，工件正反面成品圖如圖2所示。

根據(jù)項(xiàng)目加工工藝要求，需要完成取骨架—入模具—注塑成型—取出產(chǎn)品—剪水口—切唇等不同工序，加工過程中需要在注塑機(jī)、切邊機(jī)和油溫機(jī)等不同設(shè)備之間轉(zhuǎn)換。因此，本設(shè)計(jì)方案需要由一臺(tái)RB08型號(hào)機(jī)器人、一臺(tái)注塑機(jī)、一臺(tái)油溫機(jī)、振動(dòng)盤、一臺(tái)切邊機(jī)等構(gòu)成，同時(shí)引入制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、PLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能制造。

根據(jù)工件、手爪重量和設(shè)備布局情況，初步選用RB08機(jī)器人作為該密封工件自動(dòng)上下料生產(chǎn)線的機(jī)器人。GSK-RB系列工業(yè)機(jī)器人在我國國產(chǎn)機(jī)器人中具有一定代表性，為廣州數(shù)控自主研發(fā)和生產(chǎn)，目前主要用于數(shù)控機(jī)床的上下料、搬運(yùn)、焊接、噴漆等生產(chǎn)作業(yè)。

RB08機(jī)器人（圖3）主要由機(jī)器人本體、控制柜和示教盒三部分組成，屬于六自由度機(jī)器人，其中機(jī)器人本體為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，末端含有結(jié)合工件的形狀、尺寸等特點(diǎn)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)手爪，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持，本生產(chǎn)線采用雙工位的手爪設(shè)計(jì)，外夾工件。機(jī)器人控制柜包括機(jī)器人控制器、伺服驅(qū)動(dòng)單元等裝置，屬于機(jī)器人的控制中樞，機(jī)器人自帶I/O與外圍設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交接。示教盒屬于人機(jī)交互接口，操作者通過示教器可以編制多種應(yīng)用程序，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教、編程、系統(tǒng)設(shè)置，滿足產(chǎn)品更新?lián)Q代及增加新產(chǎn)品的要求。

除了機(jī)器人外，本生產(chǎn)線還包括一些其他重要設(shè)備：（1）振動(dòng)盤，起理料作用，末端需定制定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件末端定位;（2）切水口裝備，機(jī)器人夾持工件位于裝置上方，剪切水口;（3）安全圍欄，機(jī)器人工作區(qū)域安裝防護(hù)圍欄，采用優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格焊接，表面烤黃色警戒漆，全圍欄上設(shè)有安全鎖，當(dāng)安全鎖打開，工人進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)時(shí)，自動(dòng)化單元會(huì)立即停止工作，保證人員安全。

3 ? ?自動(dòng)化上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

本產(chǎn)線以自動(dòng)上下料為背景，以制造執(zhí)行系統(tǒng)MES為核心，建立智能制造管控系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集引擎功能，通過分析密封工件加工工藝、各設(shè)備位置、環(huán)境等數(shù)據(jù)類型，整合數(shù)據(jù)采集渠道（RFID、PLC、CNC、PC）等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間各個(gè)制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)邏輯模型的構(gòu)建、車間實(shí)時(shí)異常檢測數(shù)據(jù)的獲取，保證生產(chǎn)線現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面采集[3]。

PLC的主動(dòng)控制是MES控制系統(tǒng)的核心之一。在進(jìn)行智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要結(jié)合生產(chǎn)線的工藝流程要求進(jìn)行PLC模塊的擴(kuò)展，正確編寫和調(diào)試PLC組態(tài)通信應(yīng)用程序，正確配置I/O，完成權(quán)限控制、質(zhì)量控制、流程控制和報(bào)警顯示;其次對(duì)HMI的寄存器、變量等數(shù)據(jù)進(jìn)行正確分配，完成HMI工控組態(tài)和PLC編程，實(shí)現(xiàn)與RB08機(jī)器人、注塑機(jī)、油溫機(jī)、切邊機(jī)等相關(guān)設(shè)備的信號(hào)連接和通信調(diào)試;最后進(jìn)行MES系統(tǒng)與RB08機(jī)器人、注塑機(jī)、油溫機(jī)、切邊機(jī)等設(shè)備參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)連接，最終達(dá)到可視化管理的目的。

4 ? ?結(jié)語

近年來，制造業(yè)中產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，進(jìn)行產(chǎn)品定制和個(gè)性化設(shè)計(jì)越來越重要。智能自動(dòng)化生產(chǎn)線具備裝配靈活、安全高效等優(yōu)勢，因而成為當(dāng)前動(dòng)態(tài)市場的最佳選擇。本文就是基于企業(yè)的生產(chǎn)個(gè)性化需求，在深入剖析某企業(yè)密封工件加工工藝后，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行的智能產(chǎn)線開發(fā)設(shè)計(jì)，能滿足加工過程的自動(dòng)上下料作業(yè)、檢測以及產(chǎn)品加工信息共享等要求，加速實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)和跨企業(yè)的分布式制造。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 申曉龍.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2] 葉寒，付望，張軍，等.制動(dòng)器殼體類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（3）：115-119.

[3] 歐陽勁松，劉丹，杜曉輝.制造的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的思考與建議[J].中國儀器儀表，2018（4）：28-36.

收稿日期：2021-09-02

作者簡介：呂會(huì)安（1964—），男，陜西寶雞人，機(jī)械工程師，研究方向：智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及應(yīng)用。