基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控機(jī)床上下料工作站集成之機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章順應(yīng)“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，響應(yīng)企業(yè)提出的經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能的“無人化”的智能制造模式，以充分利用實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，分析HTC2050z車削中心的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、加工方式，采用數(shù)控機(jī)床PLC的I/O進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床信號交互方式集成上下料工作站，主要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人選擇、上下料臺的設(shè)計(jì)與制造、末端執(zhí)行器的配置、氣動線路的設(shè)計(jì)、裝調(diào)及包含供電電路、啟停電路、急停、模式切換電路、機(jī)器人與機(jī)床之間I/O信號交互電路的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝調(diào)。應(yīng)用構(gòu)思—設(shè)計(jì)—裝調(diào)—試驗(yàn)—改進(jìn)的方法實(shí)現(xiàn)上下料工作站機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與裝調(diào)。該方案不僅充分的利用現(xiàn)有的設(shè)備，節(jié)約了成本、提高了效益，還促進(jìn)了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；數(shù)控機(jī)床； 上下料工作站；機(jī)電系統(tǒng)

Electromechanical System Design of CNC Machine Tool Loading

and Unloading Workstation Integration Based on Industrial Robot

Liu Caixia1 Yang Chun2

（1.Computer Numerical Control Technology Department，Baotou Vocational amp; Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014035;

2.Initial Installation Plant，Baotou Beifang Chuangye Co.，Ltd.，Baotou，Inner Mongolia 014032）

Abstract：This paper conforms to the development strategy of “Made in China 2025” and responds to the “unmanned” intelligent manufacturing mode put forward by the enterprises.Based on making full use of the existing equipment in the training room，this paper analyzes the structure，parameters and processing mode of HTC2050z turning center，and adopts the I/O of CNC machine tool PLC to use the industrial robot and CNC machine tool signal interaction to integrate the loading and unloading workstation.It mainly focuses on the selection of industrial robots，the design and manufacture of loading and unloading platforms，the configuration of end effector，the design and installation of pneumatic circuits，and the design and installation of electrical control systems including power supply circuits，start-stop circuits，emergency stop circuits，mode switching circuits and I/O signal interaction circuits between robots and machine tools.The method of conception-design-adjustment-test-improvement is applied to realize the design and adjustment of the electromechanical system of the loading and unloading workstation.This scheme not only makes full use of the existing equipment，saves costs and improves benefits，but also promotes the engineering practice ability of the project team.

Key words：industrial robots;CNC machine tools;loading and unloading workstation;electromechanical system

工業(yè)機(jī)器人可靠性高、靈活性大、精度、速度高，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，已是智能制造系統(tǒng)中關(guān)鍵組成部分。我國很多企業(yè)的生產(chǎn)線上，數(shù)控機(jī)床上下料仍由人工完成，使得工人勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，且有一定的危險，已經(jīng)滿足不了當(dāng)前智能制造快速發(fā)展的需求。為降低成本、提高工作效率，適應(yīng)智能制造生產(chǎn)需求，有必要根據(jù)數(shù)控加工生產(chǎn)工藝，參照機(jī)床結(jié)構(gòu)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，采用工業(yè)機(jī)器人裝卸工件代替人工上下料，來提高生產(chǎn)效率和節(jié)拍。當(dāng)工件工藝改變時，智能制造很容易適應(yīng)需求，有利于企業(yè)不斷生產(chǎn)新品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。［1］隨著“中國制造2025”的提出，使得中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級已上升為國家戰(zhàn)略。［2］而中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級急需德智體美勞全面發(fā)展的綜合性復(fù)合型的技術(shù)技能人才，基于工業(yè)機(jī)器人的上下料工作站集成是將知識、技能轉(zhuǎn)換工程實(shí)踐的有利方法，可助力教師團(tuán)隊(duì)工程實(shí)踐能力的快速提升，并能轉(zhuǎn)化到學(xué)生教學(xué)中，提升學(xué)生的實(shí)踐技能。

1 問題提出

實(shí)訓(xùn)室有HTC2050z車削中心，該設(shè)備具有優(yōu)良的可靠性及精度保持性，主軸精度高，剛性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整及恒速切削，該數(shù)控機(jī)床采用的是FANUC 0i-TC數(shù)控系統(tǒng)。在加工時都是由人工來進(jìn)行毛坯的裝夾，加工后由人工取料放到指定位置?，F(xiàn)在升級改造該設(shè)備實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人自動上下料，即在加工前由工業(yè)機(jī)器人從上料臺取毛坯裝夾到數(shù)控車床主軸上，加工后由機(jī)器人取成品件放回到下料臺。設(shè)備整體調(diào)試好后，在自動方式實(shí)現(xiàn)自動上料—機(jī)床加工—自動下料工作過程。為了可靠實(shí)現(xiàn)自動上下料，需要對機(jī)床原有部分進(jìn)行改造升級，一是當(dāng)機(jī)器人到機(jī)床旁，機(jī)床能自動開門，離開時能自動關(guān)門，二是機(jī)器人給機(jī)床三爪卡盤上料時卡盤自動松開，上料后可自動夾緊。

2 方案設(shè)計(jì)

在升級改造或集成中一般情況對于所需I/O信號少的可采用機(jī)床和機(jī)器人直接信號傳輸方式，所用信號多時可采用Profinet、Profibus等現(xiàn)場總線方式。［3］經(jīng)過分析考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，主要有兩種設(shè)計(jì)方案，方案一：PLC作為工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及各外圍設(shè)備傳輸信號的紐帶，采用Profinet等現(xiàn)場總線方式進(jìn)行信號交互，如圖1所示，所有信號傳送給PLC經(jīng)過處理后再傳送到所需要的位置或設(shè)備中。方案二：不需要PLC，主要由數(shù)控機(jī)床的PLC和工業(yè)機(jī)器人通過設(shè)備本身的I/O進(jìn)行信號傳輸，其它的傳感器類信號可以根據(jù)需要由機(jī)床PLC處理或機(jī)器人進(jìn)行處理，如圖2所示。

在本方案中充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的最大利用率及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，選擇方案二由數(shù)控機(jī)床的PLC和工業(yè)機(jī)器人通過設(shè)備本身的I/O進(jìn)行信號傳輸，設(shè)計(jì)的總體控制框圖如圖3所示。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與升級

3.1 工業(yè)機(jī)器人選擇

首先選擇工業(yè)機(jī)器人，通過比對并參考該車削中心加工的軸類零件的最大直徑和長度，考慮到實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的機(jī)器人，選擇型號是RV-13FL-1D-S11三菱機(jī)器人作為上下料機(jī)器人。查閱參數(shù)得知該機(jī)器人的工作范圍是1388mm，搬運(yùn)重量是13kg，根據(jù)機(jī)床參數(shù)分析得出選擇該機(jī)器人滿足加工工件上下料載荷及工作節(jié)拍要求，配置的是CR750-13VD-0-S1控制器，機(jī)器人及控制器如圖4所示。

3.2 上下料臺設(shè)計(jì)

考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及方便性，本工作站設(shè)計(jì)制造了相對簡易的上下料臺，如圖5所示。

3.3 三爪卡盤防碰撞設(shè)計(jì)

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上還需對三爪卡盤進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，?dāng)機(jī)器人自動給三爪卡盤上料和下料時，不能直接檢測到工件是否到達(dá)三爪卡盤的底部，考慮到數(shù)控機(jī)床及三爪卡盤本身空間結(jié)構(gòu)、安裝傳感器等不方便及改動較大，所以在三爪卡盤里裝了一個類似防碰撞的墊鐵［4］，以防機(jī)器人將工件放到三爪卡盤里過深，再利用機(jī)器人本身具備的防碰撞功能，在上料時可有效的規(guī)避碰撞。

3.4 末端執(zhí)行器選擇

在本集成制造系統(tǒng)中主要用來抓取較短的盤軸類零件，為了可靠抓取，選用三指夾鉗式取料手，同時為了提高工作效率，安裝兩個手爪。抓取時工作過程如下：一個空手爪到上料臺抓取毛坯并運(yùn)行到機(jī)床前等待→用另一個空手爪抓取機(jī)床里已加工完的工件→兩個手爪交換將毛坯放到三爪卡盤里→機(jī)器人返回到機(jī)床外→將已加工工件放到下料臺上。

3.5 氣動控制線路設(shè)計(jì)

完成自動上下料需要進(jìn)行氣動控制線路的設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床的三爪卡盤采用的是液壓自動控制，而安全門是手動控制，所以需要對安全門進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)器人到機(jī)床前時安全門自動開且開到位置，機(jī)器人進(jìn)行上料或下料，當(dāng)上料完成機(jī)器人離開數(shù)控機(jī)床后，安全門應(yīng)該自動關(guān)閉且數(shù)控機(jī)床啟動加工工件，在加工過程中，安全門不能打開，只要安全門一打開，數(shù)控機(jī)床應(yīng)該自動停止工作?？梢圆捎脙煞N控制方式：液壓控制或氣壓控制，考慮到門的自動開和關(guān)，屬于輕載運(yùn)行，另外氣動控制經(jīng)濟(jì)、簡便、對環(huán)境污染少，所以此處改為氣動控制，需要在安全門的上方加裝氣缸及安全門開或關(guān)到位信號傳感器。除此之外工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器也需要?dú)鈩涌刂疲捎谑莾蓚€三指夾鉗式取料手，所以氣路到手爪段分出兩路氣路即可，如圖6所示。

數(shù)控機(jī)床安全門的開、關(guān)控制氣泵—?dú)鈩尤?lián)件—電磁閥（消聲器）—單項(xiàng)調(diào)速閥—?dú)飧祝ㄑb有安全門開到位和關(guān)到位限位開關(guān)）—數(shù)控機(jī)床安全門。

機(jī)器人手爪張開與閉合

氣泵—?dú)鈩尤?lián)件—電磁閥排（消聲器）—單項(xiàng)調(diào)速閥—機(jī)器人手爪。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方案采用工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的PLC通過I/O實(shí)現(xiàn)信號傳輸。現(xiàn)需要利用數(shù)控機(jī)床電氣控制柜及機(jī)器人控制器重新進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行電氣原理圖整體連接框圖的設(shè)計(jì)，以三菱機(jī)器人控制柜CR750為基礎(chǔ)的電氣連接框圖如圖7所示。

在該集成工作站中，需要連接的接口主要有：

ACIN連接器，控制柜交流電源（單相，AC200V）輸入；CNUSR 連接器，機(jī)器人專用輸入輸出連接，連接外部設(shè)備與機(jī)器人的輸入輸出信號；SLOT1，選購件插槽，此處連接數(shù)控機(jī)床的I/O，用于交互機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的I/O信號；LAN 連接器，連接觸摸屏；電機(jī)電源連接用連接器AMP1、AMP2，輸出給機(jī)器人的動力電源；電機(jī)信號連接用連接器CN2，機(jī)器人反饋編碼器信號。

4.1 供電電路及啟動電路設(shè)計(jì)

供電電路的設(shè)計(jì)原則是合上總開關(guān)QF1，經(jīng)過控制變壓器TM1將380V交流電變換成220V的交流電，再加一低壓斷路器QF2后分成兩路，一路是按下控制柜上的啟動按鈕SB5，使得繼電器KA1及KA2得電并自鎖，電路中的KA1閉合輸出交流220V，連接到機(jī)器人控制柜的ACIN接口，為機(jī)器人提供220V交流電。另一路是連接到VC1開關(guān)電源，將AC220V整流輸出DC24V，給PLC、觸摸屏、繼電器等提供直流電源。同時還需設(shè)計(jì)對應(yīng)的指示燈，當(dāng)合上QF1、QM1、QM2，總電源指示燈HL4亮，按下SB5啟動按鈕，驅(qū)動電源指示燈HL5亮，KA3繼電器得電暫停指示燈黃燈亮、KA30繼電器得電報(bào)警指示燈紅燈亮，運(yùn)行后綠燈亮。

4.2 急停、模式切換電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行工作站組建時，外部緊急停止、門開關(guān)輸入及可用設(shè)備的端子處于開放狀態(tài)。工作站必須設(shè)計(jì)外部緊急停止、門開關(guān)等裝置，起到安全防護(hù)作用，必須在連接了這些設(shè)備的狀態(tài)下使用機(jī)器人。一是在CNUSR1中有兩處可連接外部急停按鈕，分別對應(yīng)端子號（2、27）和（7、32），這兩個端子在內(nèi)部是聯(lián)通的，所以可在外部電氣柜等多處連接急停按鈕，在緊急時方便及時按下任一急停按鈕，緊急避免一些事故發(fā)生。二是為了安全，在工業(yè)機(jī)器人工作站的安全防護(hù)欄的出入門上需要安裝門開關(guān)或光柵等，當(dāng)門打開后，機(jī)器人等運(yùn)動裝置自動停止，只有門是關(guān)閉狀態(tài)時，機(jī)器人等運(yùn)動裝置才能啟動運(yùn)行。在CNUSR1中有兩處可連接門開關(guān)，分別對應(yīng)的端子號（4、29）和（9、34），在這兩個端子號上可連接對射光電開關(guān)或光柵等。若不連接將此兩個端子號分別短接。三是自動和手動模式設(shè)計(jì)，同樣CNUSR1中的端子號（49、24）和（50、25）是模式切換開關(guān)輸入功能，當(dāng)這兩個端子斷開時是手動模式，閉合是自動模式，可在這兩個端子上安裝選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動和手動切換。當(dāng)在自動時通過外部設(shè)備如觸摸屏啟動工作站。當(dāng)在手動時直接用機(jī)器人示教器控制工作站。如圖8所示。

4.3 機(jī)器人與機(jī)床之間I/O信號設(shè)計(jì)與連接

在SLOT1接口中的插入2D-TZ368/2D-TZ378接口通過線纜和機(jī)床的CE57A、CE56A的I/O信號連接實(shí)現(xiàn)交換，工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床需要交換的信號分為兩方面，一是機(jī)器人輸出到數(shù)控機(jī)床的輸入信號，二是數(shù)控機(jī)床輸出到機(jī)器人的輸入信號，需要的信號列表如下。

機(jī)器人輸出到數(shù)控機(jī)床的輸入信號，如表1所示。

數(shù)控機(jī)床輸出到機(jī)器人的輸入信號，如表2所示。

信號傳輸過程同機(jī)器人輸出到數(shù)控機(jī)床的輸入信號過程，此處不再贅述。

5 結(jié)論

本文針對實(shí)驗(yàn)室的車削中心，提出了不用配置額外的PLC，用數(shù)控機(jī)床的PLC和工業(yè)機(jī)器人通過I/O進(jìn)行信號傳輸?shù)姆桨?，并進(jìn)行安裝、調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)由機(jī)器人給數(shù)控機(jī)床上下料的可靠控制。主要進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與升級和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選擇了滿足機(jī)床加工載荷實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的三菱工業(yè)機(jī)器人；其次進(jìn)行了上下料臺的設(shè)計(jì)、制作和安裝；第三在數(shù)控機(jī)床的三爪卡盤底端增加墊鐵實(shí)現(xiàn)防碰撞功能，第四選用兩個三指夾鉗式取料手，提高上下料效率；采用氣缸加限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)床門的自動開關(guān)及開到位、關(guān)到位功能。在電氣控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了供電電路及啟動電路、急停、模式切換電路、機(jī)器人與機(jī)床之間I/O信號電路設(shè)計(jì)與連接。用最經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)了基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控機(jī)床上下料工作站集成的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳運(yùn)軍.基于工業(yè)機(jī)器人的“智能制造”柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動化，2017，39（8）：55-57、64.

［2］陳奎，朱曉瑛.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)［J］.電子制作，2023，31（22）：83-88.

［3］曹錦江，高世平.基于EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的FANUC機(jī)器人上下料單元系統(tǒng)集成應(yīng)用研究［J］.機(jī)床與液壓，2022，50（24）：94-101.

［4］晨芳，宋鵬，丁中華.基于工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控車床的自動上下料工作站［J］.機(jī)械制造，2019，57（12）：45-47.

（責(zé)任編輯 郭曉勇）