機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張茂林 魏志賓

摘要：科技的進(jìn)步，促進(jìn)工程建設(shè)事業(yè)得到快速發(fā)展。機(jī)器人輔助機(jī)械加工在國(guó)內(nèi)外航空制造業(yè)中已經(jīng)大量使用。如2001年，美國(guó)Electroimpact公司設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)，用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的制孔和锪孔;空客公司利用機(jī)器人較大的工作空間、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡、高的重復(fù)精度和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)隔音板蒙皮的成型加工。然而在航空修理企業(yè)，由于行業(yè)自身特點(diǎn)及特殊性，還沒(méi)有機(jī)器人輔助機(jī)械加工的方案，解決小批量多品種標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)問(wèn)題。本文就機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;控制系統(tǒng);自動(dòng)上下料

引言

通過(guò)將機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成在一起形成一個(gè)柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)，根據(jù)不同零件的特點(diǎn)采用不同的末端執(zhí)行器來(lái)完成工件的上下料，縮短機(jī)床輔助時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，這將是生產(chǎn)制造小批量多品種零件的必然發(fā)展趨勢(shì)。作者從滿足小批量多品種零件的生產(chǎn)節(jié)奏需求出發(fā)，建立了基于PLC控制系統(tǒng)的機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元，實(shí)現(xiàn)了柔性化智能化機(jī)械加工，進(jìn)而提高了零件的生產(chǎn)效率，保證了零件質(zhì)量一致性。

1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展背景

工業(yè)機(jī)器人是一種能夠在三維空間中實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期動(dòng)作的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它可以完成各種仿人操作，可以進(jìn)行反復(fù)編程，可以實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化，是機(jī)電一體化產(chǎn)物，非常適合柔性生產(chǎn)線。它由機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)器、控制器和反饋裝置組成。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的普及，改善了工人的工作環(huán)境，提高了產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量，對(duì)于我國(guó)制造業(yè)發(fā)展有著顯著的意義。在當(dāng)代，機(jī)器人領(lǐng)域的研究是非?；钴S的，將會(huì)越來(lái)越受到國(guó)家的重視。機(jī)器人技術(shù)涵蓋了各種學(xué)科，包括了機(jī)構(gòu)學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等，它象征著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的高低。工業(yè)機(jī)器人不但可以替代工人的手工操作，而且能夠明顯提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，它是自動(dòng)化生產(chǎn)線上必不可缺的設(shè)備。另外，工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)ν獠凯h(huán)境狀態(tài)進(jìn)行判斷，并快速做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，能夠高精度、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，還能夠抵抗惡劣的工作環(huán)境。工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格將逐漸降低，但是使用量將不斷增長(zhǎng)，它將促使工業(yè)領(lǐng)域變得更加有效。另外，工業(yè)機(jī)器人己經(jīng)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)結(jié)合在一起應(yīng)用了，這也是現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化的最新發(fā)展趨勢(shì)，這種技術(shù)正在引導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化向一個(gè)新的領(lǐng)域過(guò)渡。工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始出現(xiàn)于1960年末，到現(xiàn)在為止己經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史了，在這段時(shí)間里機(jī)器人技術(shù)己經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。機(jī)器人的發(fā)展分為三個(gè)階段，第一代示教重現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人：這是一種比較簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人，以工作人員牽引機(jī)器人末端執(zhí)行器方式進(jìn)行示教，主要用于不要求精確軌跡的簡(jiǎn)單點(diǎn)位控制場(chǎng)合。這類工業(yè)機(jī)器人的控制方式比較簡(jiǎn)單，成本也比較低。第二代帶感覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人：這是一種比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人，一般集成有內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，通過(guò)這些傳感器信息的融合來(lái)識(shí)別自身以及外部環(huán)境參數(shù)信息。這類工業(yè)機(jī)器人的控制方式和智能程度都要遠(yuǎn)比示教再現(xiàn)型高第三代智能工業(yè)機(jī)器人：這是目前研究領(lǐng)域內(nèi)最復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人，具有和人類似的思維能力，能夠?qū)σ恍┩话l(fā)情況做出合理的決策。這類工業(yè)機(jī)器人的控制方式最復(fù)雜，需要使用智能控制方法。

2機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元由一臺(tái)發(fā)那科機(jī)器人、2臺(tái)數(shù)控機(jī)床（GT27、CK7516）、末端抓手夾具、毛坯輸送機(jī)、轉(zhuǎn)料臺(tái)（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌、控制系統(tǒng)等組成，具體的單元布局如圖1所示。系統(tǒng)采用PLC電氣控制和氣動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式。PLC控制著整個(gè)單元各個(gè)模塊間相互配合動(dòng)作;氣動(dòng)系統(tǒng)則以壓縮空氣為氣源，通過(guò)電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人輔助加工單元控制過(guò)程如圖2所示。

3機(jī)器人輔助加工單元

機(jī)器人輔助加工單元由1臺(tái)機(jī)器人完成對(duì)2臺(tái)機(jī)床進(jìn)行上下料的作業(yè)。整個(gè)單元包括機(jī)器人、2臺(tái)數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人末端抓手夾具、毛坯輸送機(jī)、轉(zhuǎn)料臺(tái)（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌、PLC系統(tǒng)控制器。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1PLC軟件設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分，自動(dòng)控制運(yùn)行和手動(dòng)控制運(yùn)行。自動(dòng)控制主要是通過(guò)觸摸屏按鈕啟動(dòng)后，系統(tǒng)能夠完成整個(gè)單元的機(jī)器人輔助數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)，其中包括毛料的自動(dòng)頂升、機(jī)器人抓取毛料、機(jī)器人抓取半成品、各類氣缸往復(fù)動(dòng)作等。手動(dòng)控制原理較為簡(jiǎn)單，通過(guò)觸摸屏可以單個(gè)控制整個(gè)單元各個(gè)模塊的動(dòng)作。PLC軟件主體架構(gòu)流程圖如圖3所示。

4.2觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元的整體控制流程及實(shí)際生產(chǎn)操作要求，設(shè)計(jì)了主界面、手動(dòng)控制、輸入監(jiān)控、輸出監(jiān)控等軟件模塊，其觸摸屏界面如圖4所示。

5氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元的氣動(dòng)控制回路如圖5所示。氣動(dòng)系統(tǒng)是由氣源處理裝置、電磁換向閥、調(diào)速閥、氣缸以及各種快速接頭等組成。氣源系統(tǒng)壓力為（0.5～0.7）MPa，系統(tǒng)中機(jī)器人抓手模塊氣缸換向閥采用AIRTAC公司的三位五通電磁閥（型號(hào)為4V230C-08-B），機(jī)器人輔助裝置模塊氣缸換向閥則采用兩位五通電磁閥（型號(hào)為4V210-08-B）。機(jī)床1和機(jī)床2開(kāi)門氣缸選用AIRTAC公司的帶磁標(biāo)準(zhǔn)復(fù)動(dòng)型氣缸（型號(hào)分別為SI32-700-S，SI32-500-S），棒料定位氣缸、棒料頂升氣缸、棒料抓手氣缸、成品抓手氣缸、傳感器直線氣缸均采用SMC公司產(chǎn)品，型號(hào)分別為MI16-20CA、MGPM12-75Z、MHL2-20D、MH-SL3-32D、CXSJM6-40。半成品托盤1氣缸、半成品托盤2氣缸、料盒氣缸均采用CY3R40-800。每一氣缸上分別帶有可調(diào)位置的磁性開(kāi)關(guān)（S1、S2型號(hào)分別為DS1B1020和D-M9B），用于極限位置的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)氣缸伸出與縮回位置的可調(diào)節(jié)。氣源經(jīng)過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)組件后，進(jìn)入氣動(dòng)軟管中，通過(guò)PLC控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)各種氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在各氣缸的氣口都裝有單向節(jié)流閥主要是為了使氣缸行進(jìn)速度可調(diào)節(jié)，且運(yùn)行平穩(wěn)，避免啟動(dòng)時(shí)活塞桿突然快速推進(jìn)而撞擊缸蓋。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人輔助機(jī)械加工單元控制系統(tǒng)的運(yùn)用，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了人力資源成本，滿足了小批量多品種零件的加工需求。

參考文獻(xiàn)

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