6軸關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人柔性加工單元設(shè)計(jì)

陳心怡，王 彬，張存宏，吳志光

(池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車系，安徽 池州 247000)

工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的重要載體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯上下料、裝配、檢測(cè)及碼垛等自動(dòng)化作業(yè)，達(dá)成生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能、低耗、多產(chǎn).目前國(guó)外對(duì)電機(jī)前端蓋、后端蓋及電機(jī)軸的加工更加傾向于使用智能制造，可實(shí)現(xiàn)“多機(jī)、多刀、多件、多序”加工[1].本文針對(duì)國(guó)內(nèi)部分仍由人工操作數(shù)控車床進(jìn)行電機(jī)工件加工、組裝的方式，以6軸關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人為載體，綜合分析130ST-M0203LB型電機(jī)前端蓋的生產(chǎn)工藝過(guò)程、生產(chǎn)設(shè)備用途、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率等因素，通過(guò)合理布局3臺(tái)斜床身數(shù)控車床、1臺(tái)自動(dòng)料倉(cāng)和傳送帶、1臺(tái)檢測(cè)裝置等外圍設(shè)備，運(yùn)用總控PLC控制協(xié)調(diào)上、下位機(jī)之間的交互信號(hào)處理、狀態(tài)監(jiān)控等，確保各單元安全可靠地加工運(yùn)行，改良形成了適用于大批量生產(chǎn)的柔性制造加工單元.

1 前端蓋加工工藝分析

本文采用具有代表性的130ST-M0203LB型電機(jī)的前端蓋(見(jiàn)圖1)為例進(jìn)行分析，其主要工序包括鉆孔、電泳、車削加工、入庫(kù)等， 編制工藝路線為鉆安裝孔→電泳機(jī)加工→車削1→車削2→入庫(kù).其中車削1包括車?123止口、車?62軸承室、切O形圈槽、車端面，用時(shí)約3 min 56 s；車削2包括用軸承室定位后車?110止口、車兩端面、車?40骨架油封室，用時(shí)約1 min 45 s，加工時(shí)長(zhǎng)均允許有10%的浮動(dòng)值.因此，前端蓋的工藝過(guò)程需要進(jìn)行2次裝夾、2次加工，且車削1和車削2用時(shí)時(shí)差接近2倍.其中除車削1工序中?62軸承室為Q235低碳鋼以外，其他位置均為鋁合金.因此,加工軸承室的刀具磨損情況較為嚴(yán)重，長(zhǎng)期加工時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)刀.

2 柔性加工單元及其組成

柔性加工單元由3臺(tái)CK40斜床身數(shù)控車床、1臺(tái)六自由度工業(yè)機(jī)器人、1臺(tái)自動(dòng)上下料料倉(cāng)(帶抽檢皮帶線)以及1臺(tái)離線自動(dòng)檢測(cè)裝置組成，需要機(jī)器人完成設(shè)備之間的工件轉(zhuǎn)送任務(wù).考慮到“島式”加工單元集生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、作業(yè)空間緊湊等優(yōu)點(diǎn)[2]，本項(xiàng)目提出了構(gòu)建“島式”加工單元，即以落地式機(jī)器人為島心，機(jī)床等其他設(shè)備在其周圍作環(huán)狀布置，進(jìn)行設(shè)備件的工件轉(zhuǎn)送.由于工件對(duì)翻面加工的同軸度要求很高(0.012 mm)，因此3#機(jī)床采用可自動(dòng)定心的高精度的液壓芯軸(回轉(zhuǎn)精度0.003 mm)作為夾持單元.

圖1 電機(jī)前端蓋(單位：mm)

2.1 機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)

采用JL-020型6軸關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人，自重約260 kg，負(fù)載20 kg，最大旋轉(zhuǎn)半徑為1 699 mm.控制系統(tǒng)采用HRT工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，輔配專用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、專用端子和安全接口等，能適配多種增量和絕對(duì)式伺服[3]. 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 數(shù)控車床和數(shù)控系統(tǒng)

選取CK40型數(shù)控車床，整機(jī)具備功能齊全、加工效率高、精度穩(wěn)定性好、可靠性高且自動(dòng)化程度高等特點(diǎn).采用整體式床腳和全封閉式防護(hù)結(jié)構(gòu)，45°斜式床身，全部主導(dǎo)軌表面經(jīng)淬火處理后進(jìn)行精密的磨削加工，精度及精度保持性好.可為用戶選配標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)或液壓的臥式8、10、12工位的刀架，適用于加工各種軸類、盤類及形狀復(fù)雜的批量工件，更適合于精度及尺寸一致性要求較高的大批量工件生產(chǎn)[4].采用全數(shù)字總線式HNC818A型系統(tǒng)，具備NCUC工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，支持總線式遠(yuǎn)程I/O單元，輸入/輸出最多分別支持2 048點(diǎn)，總線設(shè)備間最大距離可達(dá)50 m.

2.3 自動(dòng)料倉(cāng)和抽檢傳送

為配合工業(yè)機(jī)器人完成零件搬運(yùn)、上料、抓取、下料等一系列操作，本柔性加工單元采用8工位轉(zhuǎn)盤式自動(dòng)料倉(cāng)，具有升降功能的2個(gè)工位分別為上料位和下料位.機(jī)械手在上料位每抓取1個(gè)工件時(shí)，上料工位上升1層；機(jī)械手在下料工位每放置1個(gè)工件時(shí)，下料工位下降1層.當(dāng)上料工位工件全部取完，下料工位裝滿工件時(shí)，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1個(gè)工位，下一個(gè)工位成為新的上料位.取完工件的原工位成為新的下料位，開(kāi)始新的一輪上料與下料程序，直到全部毛坯加工完畢，系統(tǒng)停機(jī).操作人員取下全部工件，更換上毛坯件，進(jìn)行下一批次的加工.另外，當(dāng)料倉(cāng)旋轉(zhuǎn)5次后，另一個(gè)工業(yè)機(jī)器人同步卸載末端下料位上的成品工件，同時(shí)裝載待加工的毛坯件，讓自動(dòng)料倉(cāng)不停機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去.

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格零件，本系統(tǒng)在料倉(cāng)出口處設(shè)置了1個(gè)抽檢傳送裝置，從成品中按一定比列進(jìn)行抽檢，避免成批次品出現(xiàn)的可能，保證了工件加工的質(zhì)量[5].

2.4 在線測(cè)量系統(tǒng)

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)工件尺寸偏差并進(jìn)行篩選或糾偏，防止加工誤差的累積造成不可逆轉(zhuǎn)的次品，2#、3#數(shù)控車床之間設(shè)置了在線測(cè)量系統(tǒng)，檢測(cè)中間軸承孔位和帶O形圈槽止口的尺寸精度，實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī).上位機(jī)通過(guò)計(jì)算，算出刀補(bǔ)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，以此保證工件的加工精度[6].若檢測(cè)合格，送入3#數(shù)控車床繼續(xù)下一個(gè)工序加工；若檢測(cè)不合格，機(jī)械手直接終止下一道工序；若經(jīng)系統(tǒng)糾偏仍不合格，則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，通知工作人員對(duì)相應(yīng)數(shù)控車床進(jìn)行檢查，避免成批量次品的產(chǎn)生.

3種型號(hào)的工件對(duì)應(yīng)3種規(guī)格的檢測(cè)臺(tái)，當(dāng)要加工的工件型號(hào)更換時(shí)，也必須手動(dòng)更換檢測(cè)臺(tái).檢測(cè)臺(tái)兩側(cè)設(shè)置手把，方便操作人員更換時(shí)握持，底座上也有定位塊，可以保證檢測(cè)臺(tái)每次都能安裝到正確的位置.

2.5 車床夾具

1#、2#數(shù)控車床進(jìn)行車工工序1的加工，夾持工件為毛坯，定位精度要求不高，故可直接采用CK40數(shù)控車床標(biāo)配的三爪液壓卡盤夾持工件進(jìn)行加工.車工第2道工序(3#車床)采用定制的液壓膨脹芯軸作為夾具，夾持工件軸承孔位.3種型號(hào)的工件則對(duì)應(yīng)3種型號(hào)的芯軸，加工不同型號(hào)的前端蓋時(shí)需要更換配套的液壓膨脹芯軸，其安裝和拆卸較為便捷.膨脹芯軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.003 mm，可以滿足同軸度0.012 mm的精度要求，芯軸表面涂層硬度可達(dá)70 HRC，使用壽命長(zhǎng).

3 柔性加工工作流程

工作流程如圖3所示，由于車1工序和車2工序的加工時(shí)間約為2∶1的關(guān)系，因此1#車床和2#車床都進(jìn)行車1工序，3#車床進(jìn)行車2工序，這樣3臺(tái)車床的加工節(jié)拍銜接緊密，進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)后機(jī)床基本沒(méi)有空閑等待的時(shí)間，保證了機(jī)床的工作效率最大化.

圖3 工作流程

當(dāng)系統(tǒng)正常循環(huán)啟動(dòng)后，可進(jìn)行全自動(dòng)化的加工、檢測(cè)、機(jī)床自動(dòng)補(bǔ)刀.操作人員只需定時(shí)取出料倉(cāng)內(nèi)加工完畢、檢測(cè)合格的工件，并重新將毛坯件裝滿料倉(cāng)，單元可不停機(jī)持續(xù)工作，生產(chǎn)節(jié)拍為2.5 min，良品率可達(dá)99%以上.

此加工單元運(yùn)行可靠，且具有較高的柔性，通過(guò)更換機(jī)器人手爪、液壓芯軸、離線檢測(cè)臺(tái)型號(hào)并調(diào)整自動(dòng)上下料料倉(cāng)大小，便可以加工110ST和150ST型號(hào)的電機(jī)前端蓋以及110ST、130ST、150ST型號(hào)的電機(jī)后端蓋.

4 電氣控制系統(tǒng)

電機(jī)前端蓋柔性加工單元的總控系統(tǒng)如圖4所示，采用上、下位機(jī)的形式.總控PLC負(fù)責(zé)3臺(tái)機(jī)床、離線檢測(cè)設(shè)備、料倉(cāng)、機(jī)器人之間交互信號(hào)的處理及狀態(tài)監(jiān)控、安全保護(hù)等.上位機(jī)包括離線檢測(cè)的工控機(jī)、總控PLC、人機(jī)交互的顯示器及上位機(jī)控制軟件等，控制離線檢測(cè)和機(jī)器人交互，監(jiān)測(cè)3臺(tái)機(jī)床狀態(tài)，控制系統(tǒng)各設(shè)備信號(hào)交互等.

圖4 柔性加工單元總控系統(tǒng)

用戶權(quán)限管理界面如圖5所示，上位機(jī)控制軟件主要有機(jī)床監(jiān)控功能、料倉(cāng)監(jiān)控功能、機(jī)器人監(jiān)控功能、總控PLC監(jiān)控功能、離線檢測(cè)臺(tái)控制功能、實(shí)時(shí)自動(dòng)刀具磨損補(bǔ)償功能、生產(chǎn)管理功能等.

圖5 用戶權(quán)限管理界面

總控系統(tǒng)提供對(duì)3臺(tái)機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)控及控制功能，包括報(bào)警、報(bào)警歷史、寄存器、刀補(bǔ)、機(jī)床位置、加工程序、進(jìn)給倍率、快移倍率、主軸倍率等；可監(jiān)控自動(dòng)料倉(cāng)及機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，控制各單元之間交互，確保各單元安全、可靠地加工運(yùn)行；根據(jù)加工狀態(tài)控制離線檢測(cè)臺(tái)檢測(cè)工件，自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒叩哪p，提高加工精度.

整個(gè)加工單元的工作流程由機(jī)器人程序決定，各設(shè)備的I/O信號(hào)通過(guò)總控PLC進(jìn)行通訊和邏輯運(yùn)算，協(xié)調(diào)各設(shè)備的動(dòng)作順序，確保加工的順利進(jìn)行和設(shè)備的安全.

上位機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視.通過(guò)以太網(wǎng)與3臺(tái)機(jī)床和總控PLC相連接，在線監(jiān)測(cè)并記錄機(jī)床、機(jī)器人、料倉(cāng)等設(shè)備的工作狀態(tài)、參數(shù)、I/O信號(hào)等，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)加工工件數(shù)量、成品數(shù)量、廢品數(shù)量.離線檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)RS485接口(MODBUS總線協(xié)議)與上位機(jī)聯(lián)系，將檢測(cè)到的工件數(shù)據(jù)及其他的檢測(cè)信號(hào)等發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示和記錄，上位機(jī)將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給相應(yīng)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)反饋的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)刀補(bǔ)，無(wú)需人工操作.所有生產(chǎn)信息可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，管理者可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)加工單元的運(yùn)行情況，并且所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)調(diào)閱，大大方便了生產(chǎn)管理，為企業(yè)建立MES系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件.

5 安全系統(tǒng)

智能化是柔性加工單元區(qū)別傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的顯著特征，不僅具有優(yōu)秀的產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率的控制算法，而且還應(yīng)具有精準(zhǔn)自我診斷和絕對(duì)保障的安全措施.本課題針對(duì)設(shè)備啟停、上料、下料、夾持、傳送等可能出現(xiàn)的故障均設(shè)置了相應(yīng)的聲光報(bào)警裝置，并具有上位機(jī)故障提示功能，時(shí)刻在線監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，精準(zhǔn)排障；針對(duì)誤入危險(xiǎn)區(qū)、發(fā)生碰撞等存在的較大安全隱患，設(shè)置了急停、互鎖等應(yīng)急安全系統(tǒng)[7]，最大程度地建立周密完善的安全保障系統(tǒng).例如：在工作區(qū)設(shè)置了安全門，安全門通過(guò)1個(gè)電氣機(jī)械鎖與總控系統(tǒng)鎖定，通過(guò)1個(gè)帶鑰匙的安全鎖來(lái)檢測(cè)門的狀態(tài).該門打開(kāi)時(shí)，機(jī)器人急停，防止發(fā)生人員傷害事故[8].

6 結(jié)語(yǔ)

基于6軸關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人的柔性加工單元，是裝備制造業(yè)從傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向智能制造轉(zhuǎn)型的第一步.在此基礎(chǔ)上按照“設(shè)備自動(dòng)化+生產(chǎn)精益化+管理信息化+人工高效化”的構(gòu)建理念，將數(shù)控加工設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)信息采集管控設(shè)備等典型加工制造設(shè)備，集成為智能制造單元“硬件”系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、智能化控制技術(shù)、高效加工技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID數(shù)字信息技術(shù)等“軟件”的綜合運(yùn)用，構(gòu)成技術(shù)平臺(tái).技術(shù)平臺(tái)具備零件數(shù)字化設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃、加工過(guò)程實(shí)時(shí)制造數(shù)據(jù)采集、加工過(guò)程自動(dòng)化、基于RFID加工狀態(tài)可追溯以及加工柔性化等功能.本項(xiàng)目中，利用工業(yè)機(jī)器人科學(xué)布局“島式”結(jié)構(gòu)，運(yùn)用總控PLC控制協(xié)調(diào)之間的交互信號(hào)處理、監(jiān)控等，構(gòu)成了適應(yīng)于電機(jī)前端蓋自動(dòng)化生產(chǎn)的柔性加工單元，同時(shí)能自動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)行刀補(bǔ)，有效解決了電機(jī)前端蓋的加工、組裝一體化生產(chǎn)工藝，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，人工生產(chǎn)效率可由100個(gè)/d提升至400個(gè)/d，且提升產(chǎn)品合格率至99%以上，使其功能和應(yīng)用價(jià)值更為凸顯.