智能制造背景下工業(yè)機(jī)器人CNC 機(jī)床上下料工作站設(shè)計(jì)

陳奎，朱曉瑛

（1.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇蘇州，215009；2.泓懿醫(yī)療器械（蘇州）有限公司，江蘇蘇州，215000）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展和智能制造的興起，數(shù)控技術(shù)在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控技術(shù)以其高精度、高效率的特點(diǎn)，大幅提升了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。而在數(shù)控加工中，數(shù)控車床是一種被廣泛應(yīng)用的設(shè)備，它通過計(jì)算機(jī)程序控制機(jī)床的運(yùn)動和加工過程，實(shí)現(xiàn)對工件的精確加工。然而，傳統(tǒng)的數(shù)控車床操作仍然存在一些問題。其中，上下料過程是加工制造過程中不可或缺的一部分，但常常被忽視。傳統(tǒng)的上下料工作通常需要操作員進(jìn)行手動操作，不僅效率低下，而且存在很大的人為誤差。此外，長時間地重復(fù)性動作對操作員的身體健康也產(chǎn)生一定的影響。

智能制造背景下，數(shù)控車床上下料工作站的開發(fā)對提升生產(chǎn)效率、降低成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義?；诖耍疚耐ㄟ^對數(shù)控車床上下料工作站的工作流程進(jìn)行深入分析，在現(xiàn)有的數(shù)控車床上實(shí)施智能化改造，引入機(jī)器人、電氣控制系統(tǒng)及激光測距傳感器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能化生產(chǎn)功能，在減小勞動強(qiáng)度的同時大幅縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)帶來技術(shù)革新和經(jīng)濟(jì)效益，推動裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 數(shù)控車床上下料工作站的功能分析

數(shù)控車床上下料工作站是實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床自動化加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能需求主要包括自動上下料、物料供應(yīng)控制、工件定位與夾持、工件質(zhì)檢等方面。本工作站主要由數(shù)控車床、工業(yè)機(jī)器人、清理單元、檢測單元等組成，各硬件設(shè)備的布局如圖1 所示。工作站負(fù)責(zé)對回轉(zhuǎn)形工件進(jìn)行車削加工，使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料，使用組態(tài)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，使用PLC 控制技術(shù)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使用多種通信技術(shù)與系統(tǒng)中的其他硬件進(jìn)行通信。

圖1 數(shù)控車床工作站整體布局圖

該數(shù)控車床工作站的功能是使用數(shù)控車床對回轉(zhuǎn)形工件進(jìn)行車削加工，加工完畢后對工件進(jìn)行清理，清理干凈后檢測工件尺寸，最后將工件放到成品區(qū)。具體的工作流程為：系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，按下工作站運(yùn)行按鈕，PLC 給機(jī)器人發(fā)出啟動命令；機(jī)器人的氣動夾爪運(yùn)行到原料區(qū)，傳感器檢測到原料盤上有工件后，機(jī)械手從原料區(qū)抓取待加工的工件到達(dá)安全門外安全區(qū)，數(shù)控車床安全門打開，機(jī)械手將工件安裝到車床卡盤上并夾緊工件；機(jī)器人退出到安全位置后關(guān)閉安全門；數(shù)控機(jī)床接收到機(jī)器人上料完成的信號后進(jìn)行加工，并將工件加工完成的信號反饋給機(jī)器人，指導(dǎo)機(jī)器人完成下料工作，機(jī)械手再將加工好的產(chǎn)品分別搬運(yùn)至吹氣和檢測處進(jìn)行清理和尺寸檢測，最后將產(chǎn)品放置到成品區(qū)，再進(jìn)行下一個工件的加工，直至完成原料盤上所有工件的智能化加工，工作站的工作流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)控車床工作站工作流程

圖3 氣動系統(tǒng)控制

圖4 CHELIC HDW32 型雙機(jī)械夾爪

2 數(shù)控車床上下料工作站設(shè)計(jì)與開發(fā)

數(shù)控車床上下料工作站在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著重要的角色，它的設(shè)計(jì)與開發(fā)對于提高生產(chǎn)效率和降低人力成本具有重要意義。一個設(shè)計(jì)合理、功能完善的工作站可以為數(shù)控車床的加工過程提供高效而準(zhǔn)確的上下料支持。

首先，在數(shù)控車床上下料工作站的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，安全性是首要考慮的因素之一。工作站應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，并配備必要的安全裝置，以保護(hù)操作人員的人身安全。例如，工作站應(yīng)配置防護(hù)門、傳感器和緊急停機(jī)開關(guān)等，以及各種安全警示標(biāo)志，確保人員在使用過程中遵循正確的操作流程。其次，工作站的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮提高生產(chǎn)效率。通過充分利用自動化技術(shù)，工作站可以實(shí)現(xiàn)自動上下料、清洗和檢測等功能，減少人工操作的繁瑣和時間成本。此外，工作站還可以通過集成智能化系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的追蹤和可視化管理，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃。

■2.1 數(shù)控車床的改造

本工作站使用現(xiàn)有的廣州鑫泰CKG6140數(shù)控車床，該數(shù)控車床為智能制造系統(tǒng)的車削設(shè)備，系統(tǒng)為FANUC 0i Mate TD，車床配備了車削工件所用的刀具及附件，除具備標(biāo)準(zhǔn)功能外，還需將數(shù)控車床的手動防護(hù)門改造為氣動自動門，并在操作面板上設(shè)置快捷按鈕，通過編寫FANUC PMC 程序?qū)崿F(xiàn)自動門的開、關(guān)控制，為配合工業(yè)機(jī)器人末端夾具的自動放料、取料，將數(shù)控車床的普通三爪卡盤改造為氣動軟爪卡盤，根據(jù)PLC 信號控制卡爪的松開與夾緊。

改造后的機(jī)床還需配置帶進(jìn)氣節(jié)流閥的雙作用活塞式氣缸、帶消聲器的電磁換向閥、氣動三聯(lián)件、氣管等配件，形成氣動卡盤和自動防護(hù)門。三爪氣動卡盤型號為KS160-3，配置對應(yīng)的氣動附件、支撐結(jié)構(gòu)件、工件墊高結(jié)構(gòu)件、壓緊件及軟爪。

■2.2 機(jī)器人系統(tǒng)的改造

數(shù)控車床上下料工作站的開發(fā)關(guān)鍵在于引入機(jī)器人系統(tǒng)，通過與數(shù)控系統(tǒng)的無縫集成，機(jī)器人可以準(zhǔn)確地識別并抓取工件，實(shí)現(xiàn)自動化的物料搬運(yùn)和工件裝夾。本工作站選用現(xiàn)有的ABB IRB 1410 六軸工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人配置有工具快換單元（包含碼垛夾爪、單嘴吸盤、涂膠尖點(diǎn)、CHELIC HDW32 型雙機(jī)械夾爪等）。該套機(jī)器人系統(tǒng)除滿足數(shù)控車床上下料功能外，還具備碼垛、涂膠、PCB 板裝配等基本功能，能夠適應(yīng)不同行業(yè)的生產(chǎn)需求。

■2.3 電氣系統(tǒng)的改造

電氣系統(tǒng)的開發(fā)為工作站的自動化和智能化提供了支持，實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確的物料搬運(yùn)和工件加工。電氣系統(tǒng)主要包含傳感器、空氣開關(guān)、電源開關(guān)、PLC 及觸摸屏等模塊。為保證操作人員及設(shè)備的安全，在整套設(shè)備的外圍安裝隔離光柵。

本工作站選用了西門子CPU1214 DC/DC/DC PLC 控制器、拓展SM1223 DI16×24 VDC，DQ16×24 VDC 數(shù)字量輸入/輸出模塊，該P(yáng)LC 控制器提供了多個模擬輸入輸出通道和數(shù)字輸入輸出通道，還支持以太網(wǎng)、RS485 和Profibus 等通信模式，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)或其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。電氣系統(tǒng)中的觸摸屏選用7 寸的威綸通，用于進(jìn)行人機(jī)交互，使操作員方便地控制和監(jiān)視工作站的運(yùn)行狀態(tài)。

清理單元包含吹氣支撐臺、吹氣吹嘴，主要功能是清理數(shù)控車床加工后遺留在工件上的切屑；檢測單元使用LOD2系列的激光測距傳感器，用于測量車床加工后的工件尺寸。

2.3.1 數(shù)控車床工工作站的I/O 配置

根據(jù)工作站的工作流程梳理西門子S7-1200 PLC 的控制要求：（1）通過與ABB 機(jī)器人上DSQC652 I/O 信號板通信，指導(dǎo)機(jī)器人完成上下料動作；（2）與數(shù)控車床進(jìn)行通信；（3）控制清理單元進(jìn)行工件的清理、控制檢測單元進(jìn)行工件尺寸的檢測。其中PLC 控制器與數(shù)控車床、機(jī)器人及清理單元之間的通信主要是I/O 通信，表1 為數(shù)控車床工作站的I/O 分配方案。

表1 控制系統(tǒng)PLC的I/O分配表

2.3.2 數(shù)控車床工工作站的硬件連接

根據(jù)數(shù)控車床工作站的功能及表1 中系統(tǒng)的I/O 配置方案，設(shè)計(jì)基于西門子S7-1200 PLC控制系統(tǒng)的硬件接線圖（圖5）和輸入/輸出接線圖（圖6）。

圖5 數(shù)控車床工作站硬件接線

圖6 PLC 輸入/輸出模塊硬件接線

2.3.3 人機(jī)交互界面及PLC 程序設(shè)計(jì)

數(shù)控車床上下料工作站設(shè)計(jì)與開發(fā)還涉及人機(jī)交互界面及PLC 程序設(shè)計(jì)，在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)中，界面應(yīng)該簡潔直觀，通過合理的布局和圖形化的顯示，操作人員能夠方便地控制和監(jiān)控工作站的運(yùn)行狀態(tài)。同時提供適當(dāng)?shù)膱缶吞崾竟δ?，以提醒操作人員注意安全事項(xiàng)和異常情況。

觸摸屏中除制作簡單的操作界面外，還增加了監(jiān)控、手動操作、I/O 查詢和報警顯示等界面，如圖7 所示。

圖7 觸摸屏操作界面

3 數(shù)控車床工作站的聯(lián)動調(diào)試

本設(shè)計(jì)方案中工作站要實(shí)現(xiàn)的功能包括：機(jī)械手檢測原料盤上有工件后進(jìn)行抓取，機(jī)械手將工件搬運(yùn)至安全位置后、數(shù)控車床安全門打開；機(jī)械手將工件裝夾到氣動卡盤上、機(jī)械手退到安全位置；機(jī)床安全門關(guān)閉并開始車削工件；機(jī)械手接收到加工完成信號后將加工好的工件取下移至清理工位進(jìn)行清洗；機(jī)械手將清洗后的工件搬運(yùn)至檢測工位進(jìn)行尺寸檢測，最后將成品放到倉儲位置。

此設(shè)備的性能測試內(nèi)容包括：（1）檢查氣動裝置、夾具等零部件是否安裝正確、靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)行必要的調(diào)整和修正；（2）核對PLC 程序是否正確加載，檢查傳感器、開關(guān)、繼電器等電氣元件是否連接正確。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，逐步調(diào)試各個動作模塊，如上料、下料、夾取工件、清洗工件等。（3）根據(jù)設(shè)備的操作流程，設(shè)置上下料的啟停條件、動作順序和等待時間等參數(shù)。通過觸摸屏或其他控制界面操作，觀察并記錄系統(tǒng)的聯(lián)動效果，如上料+加工+下料+清洗+檢測的完整過程。根據(jù)聯(lián)動調(diào)試中觀察到的問題和現(xiàn)場實(shí)際情況，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。調(diào)整上下料的速度、位置精度、延時時間等參數(shù)，以達(dá)到更好的工作效果和生產(chǎn)效率。（4）在進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試時，還應(yīng)確保設(shè)備的安全性。遵循相關(guān)的操作規(guī)程和安全操作要求，如安全門、急停按鈕、防護(hù)裝置等應(yīng)正常工作，確保操作人員和設(shè)備的安全。

根據(jù)數(shù)控車床上下料工作站的工作流程，編寫ABB IRB 1410 六軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行程序，以下為工作站中機(jī)器人運(yùn)行的程序：

4 結(jié)語

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國裝備制造特別是高端裝備制造業(yè)迎來了發(fā)展的新機(jī)遇，促進(jìn)了傳統(tǒng)制造類企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型升級。本文針對目前加工制造業(yè)的技術(shù)裝備現(xiàn)狀對傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了智能化改造，采用I/O通信、RS422 串行通信及以太網(wǎng)通信方式將S7-1200 PLC控制器、數(shù)控車床、工業(yè)機(jī)器人、清理單元、檢測單元、觸摸屏以及上位機(jī)等硬件連接起來進(jìn)行信號傳輸，控制數(shù)控車床工作站各單元協(xié)同動作，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床應(yīng)有的切削加工要求，而且還能完成簡單的上下料等任務(wù)，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，推動了傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。