JC530 前橋輸出軸在柔性制造單元中的程序設(shè)計(jì)與自動(dòng)加工

張江華，檀昌雅，蔣云清，包 滿

(1.南昌工學(xué)院，南昌 330108；2.江西省汽車零部件數(shù)字化制造工程實(shí)驗(yàn)室，南昌 330108；3.淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院，淮北 235000；4.中山世達(dá)模型制造有限公司，中山 528400）

0 引言

制造業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展，離不開(kāi)產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化、高精度制作、生產(chǎn)周期短、并減輕人們重復(fù)操作的體力勞動(dòng)。隨著智能機(jī)器人與數(shù)控操作技術(shù)的衍生與發(fā)展，直接為機(jī)械制造實(shí)現(xiàn)智能化與自動(dòng)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]，而以機(jī)器人為中心的柔性制造單元，避免了一些影響機(jī)械制造精度與效率的不利因素，以及減少了因疲勞操作的失誤，能夠在一定程度上推動(dòng)機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[2]。

1 工作原理

研究采用自動(dòng)料庫(kù)、抽檢平臺(tái)、I5數(shù)控車床與機(jī)器人相結(jié)合的柔性制造單元，如圖1所示，該柔性制造單元的自動(dòng)料庫(kù)、機(jī)器人卡爪是按照J(rèn)C530前橋輸出軸（如圖2所示）的圖紙工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。通過(guò)一臺(tái)總控設(shè)備與機(jī)器人、自動(dòng)料庫(kù)，I5數(shù)控車床、抽檢平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)通訊信號(hào)的交互，從而實(shí)現(xiàn)整條柔性生產(chǎn)線的智能化加工。

圖1 柔性制造單元

圖2 JC530前橋輸出軸零件圖

2 JC530 前橋輸出軸的自動(dòng)加工過(guò)程規(guī)劃

根據(jù)JC530前橋輸出軸零件的圖紙工藝要求以及I5數(shù)控車床和NACHI機(jī)器人的設(shè)備性能及特點(diǎn)，對(duì)柔性制造單元中的自動(dòng)上下料、自動(dòng)抽檢、自動(dòng)加工過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃，保證產(chǎn)品的批量生產(chǎn)的同時(shí)，縮短了生產(chǎn)時(shí)間、提高了產(chǎn)品質(zhì)量，自動(dòng)加工過(guò)程規(guī)劃工藝流程圖，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)加工過(guò)程規(guī)劃工藝流程圖

3 數(shù)控車床與機(jī)器人通訊設(shè)計(jì)

為了使數(shù)控車床和機(jī)器人之間的信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效通訊傳輸，使用屏蔽信號(hào)電纜將數(shù)控車床PLC中相應(yīng)的I/O點(diǎn)和機(jī)器人相應(yīng)的I/O點(diǎn)進(jìn)行連接，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)每完成一個(gè)動(dòng)作或運(yùn)行完一段程序，數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人控制器會(huì)有信號(hào)交互[3]。

4 I5 數(shù)控車床自動(dòng)加工程序編制

I5數(shù)控車床系統(tǒng)，是我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的系統(tǒng)，與發(fā)那科、西門子系統(tǒng)的編程方式有所不同。機(jī)器人要完成對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)上下料，并通過(guò)加工程序中的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床與機(jī)器人之間的交互。當(dāng)數(shù)控車床執(zhí)行M22指令時(shí)，當(dāng)前氣動(dòng)門已經(jīng)打開(kāi)到位，機(jī)器人控制器可進(jìn)行下一步動(dòng)作或執(zhí)行下一段程序指令M301等待機(jī)器人信號(hào)，機(jī)器人對(duì)車床進(jìn)行換料完成后便可讓機(jī)床執(zhí)行下一段指令M23，當(dāng)前氣動(dòng)門已經(jīng)關(guān)閉到位，可以執(zhí)行加工程序，根據(jù)圖3的加工流程圖以及循環(huán)取料自動(dòng)加工的要求，其編制的加工主程序如下：

表1 JC530前橋輸出軸加工主程序

5 機(jī)器人程序編制

按照J(rèn)C530前橋輸出軸的加工過(guò)程編制機(jī)器人相關(guān)動(dòng)作程序，機(jī)器人相關(guān)動(dòng)作主程序與子程序如表2所示，使用時(shí)由一個(gè)主程序調(diào)用對(duì)應(yīng)相關(guān)的子程序即可，機(jī)器人程序要適合柔性制造單元個(gè)性化、多樣化的的特點(diǎn)，只需要改變程序中的機(jī)器人位移點(diǎn)位，便夠?qū)ο嗨菩粤慵M(jìn)行快速換產(chǎn)加工，能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。

表2 機(jī)器人控制程序匯總表

5.1 機(jī)器人主程序

按照?qǐng)D3加工流程圖的動(dòng)作順序，與I5數(shù)控車床的動(dòng)作順序相結(jié)合，編制機(jī)器人主程序如表3所示，首先要保證在執(zhí)行自動(dòng)加工時(shí)，車床上要夾持完成工序一的半成品零件。

表3 機(jī)器人動(dòng)作主程序

5.2 機(jī)器人料庫(kù)取料與放料的程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人與數(shù)控車床相互配合，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、加工、下料等功能[4]。根據(jù)程序指令，機(jī)器人從料倉(cāng)中抓取毛坯并送至車床上加工。加工完成后，機(jī)器人將成品取出并送至料倉(cāng)。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人與自動(dòng)料庫(kù)的動(dòng)作分為料庫(kù)取料和料庫(kù)放料，取料程序如表4所示，取料時(shí)應(yīng)保證料庫(kù)料盤有料并且定位準(zhǔn)確，否則會(huì)造成機(jī)床換料時(shí)，毛坯材料裝夾不牢靠以至于無(wú)法正常進(jìn)行加工，當(dāng)加工完成品時(shí)機(jī)器人要執(zhí)行料庫(kù)放料程序，如表5所示，完成成品的放料操作。

表4 機(jī)器人動(dòng)作料庫(kù)取料程序

表5 機(jī)器人動(dòng)作料庫(kù)放料

5.3 機(jī)器人機(jī)床換料程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人卡爪主要針對(duì)JC530前橋輸出軸等軸類零件進(jìn)行上下料設(shè)計(jì)，機(jī)床換料過(guò)程如圖4所示，成品爪可對(duì)零件進(jìn)行掉頭自動(dòng)加工，毛坯爪可更換新的毛坯進(jìn)行自動(dòng)加工，該設(shè)計(jì)具備換料時(shí)間短、定位準(zhǔn)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)試簡(jiǎn)單、換件靈活、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)機(jī)器人上述換料過(guò)程，編輯JC530前橋輸出軸零件的自動(dòng)換料程序如表6所示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)機(jī)。機(jī)器人能夠快速的更換卡爪與夾具，機(jī)器人程序具備良好的通用性，只要簡(jiǎn)單的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)位修調(diào)，即可適用于市場(chǎng)大多數(shù)軸零件的使用，機(jī)器人與換料程序能夠滿足市場(chǎng)上不同型號(hào)的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料的生產(chǎn)工藝要求。

圖4 機(jī)床換料

表6 機(jī)器人動(dòng)作機(jī)床換料

5.4 機(jī)器人抽檢程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人抽檢分為手動(dòng)隨機(jī)抽檢和自動(dòng)抽檢。

手動(dòng)隨機(jī)抽檢：通過(guò)抽檢平臺(tái)的抽檢按鈕進(jìn)行控制，總控一方面采集人工輸入抽檢信號(hào)，同時(shí)采集抽檢臺(tái)狀態(tài)反饋，通過(guò)邏輯條件判斷，后再輸出給機(jī)器人與抽檢臺(tái)，若接受到手動(dòng)隨機(jī)抽檢信號(hào)，機(jī)器人開(kāi)始執(zhí)行抽檢程序，如表7所示，抽檢臺(tái)前進(jìn)接取機(jī)械手放下的工件，后退輸送工件進(jìn)行檢測(cè)，抽檢完成后，并反饋給總控進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)[5]。

自動(dòng)抽檢：在總控平臺(tái)的生產(chǎn)管理界面可設(shè)置每間隔多少個(gè)加工零件開(kāi)始自動(dòng)抽檢，可實(shí)現(xiàn)定量抽檢，當(dāng)達(dá)到自動(dòng)抽檢件數(shù)時(shí)抽檢平臺(tái)將抽檢信號(hào)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人執(zhí)行如表7所示的抽檢程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)等量抽檢。

表7 機(jī)器人動(dòng)作抽檢放料

6 自動(dòng)加工

執(zhí)行自動(dòng)加工時(shí)，抽檢平臺(tái)、自動(dòng)料庫(kù)、機(jī)器人與數(shù)控車床所有設(shè)備都應(yīng)處于自動(dòng)加工狀態(tài)，結(jié)合數(shù)控車床加工程序與機(jī)器人控制程序，完成JC530前橋輸出軸的自動(dòng)上下料加工，提高了生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，緩解企業(yè)用工難的問(wèn)題，同時(shí)減輕工人重復(fù)的體力勞動(dòng)以及替代工人在一些對(duì)人體有害的環(huán)境下工作。

7 快速換產(chǎn)

由于柔性制造單元的特色是多樣化與個(gè)性化，所以隨著市場(chǎng)行情的變化經(jīng)常會(huì)發(fā)生換產(chǎn)的情況，針對(duì)此情況要根據(jù)具體的加工零件進(jìn)行合理調(diào)整，加工與JC530前橋輸出軸相似的軸類零件只需要調(diào)整機(jī)器人卡爪以及料庫(kù)零件間的間距即可。

機(jī)器人卡爪調(diào)整：機(jī)器人卡爪及料庫(kù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際零件直徑進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)設(shè)計(jì)的零件大小，對(duì)機(jī)器人的卡爪進(jìn)行調(diào)整，如圖5(a)機(jī)器人卡爪所示，調(diào)節(jié)A處的牙口位置可以使機(jī)械手進(jìn)行松開(kāi)和夾緊，具體調(diào)整牙數(shù)根據(jù)加工零件直徑實(shí)際大小進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)應(yīng)保證夾持力不易過(guò)緊或過(guò)松。

料庫(kù)調(diào)整：根據(jù)設(shè)計(jì)的零件大小，對(duì)料庫(kù)進(jìn)行調(diào)整，如圖5(b)料庫(kù)料盤所示，調(diào)節(jié)A、B兩處的間距，調(diào)整時(shí)應(yīng)保證機(jī)器人卡爪在夾持的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生碰撞且定位可靠。

圖5 機(jī)器人卡爪及料庫(kù)零件位置調(diào)整

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作與數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工的程序設(shè)計(jì)構(gòu)建了柔性制造單元的程序框架，經(jīng)試驗(yàn)證明該程序結(jié)構(gòu)緊湊、合理可靠，快速換產(chǎn)時(shí)只需要調(diào)整機(jī)器人位移的點(diǎn)位與數(shù)控車床加工輪廓的子程序，就能夠進(jìn)行快速換產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)個(gè)性化、多樣化的需求，能夠適應(yīng)市場(chǎng)絕大多數(shù)軸類的自動(dòng)上下料加工，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

以I5數(shù)控車床與NACHI機(jī)器人組成的柔性制造單元屬于小型化、柔性高、經(jīng)濟(jì)型的柔性制造系統(tǒng)，符合中小企業(yè)組織柔性化生產(chǎn)的需要。從模塊化逐步提高生產(chǎn)過(guò)程的柔性化與自動(dòng)化水平看，該柔性制造單元是更為理想的自動(dòng)化模塊[6]。