基于工業(yè)機(jī)器人的精密模具制造控制設(shè)計(jì)

馮占偉，李亞萍

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451191）

0 引言

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略全面推進(jìn)實(shí)施的背景下，智能制造已成為了制造業(yè)革命的核心，擁有更多能夠掌握這一技術(shù)的實(shí)用人才將是今后競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵[1]。而工業(yè)機(jī)器人作為一種全新的技術(shù)體系，在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域具有顯著地位，能夠促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)更新以及深入發(fā)展[2-4]。全國(guó)智能制造應(yīng)用技術(shù)大賽著眼于提高學(xué)校智能制造教育水平，旨在引導(dǎo)優(yōu)秀工程人才的培養(yǎng)，推廣和應(yīng)用智能制造技術(shù)[5]。針對(duì)智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造控制進(jìn)行研究，工業(yè)機(jī)器人示教實(shí)操與編程應(yīng)用貫穿全程，運(yùn)用RoboDK 仿真系統(tǒng)搭建模型對(duì)路徑優(yōu)化的可行性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，最優(yōu)路徑優(yōu)化有效減少示教點(diǎn)的個(gè)數(shù)。因此快速準(zhǔn)確的編程示教來(lái)提高工作效率是研究的重點(diǎn)。

1 智能模具制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介與組成

智能模具制造聚焦精密模具加工領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)際，在精密模具制造技術(shù)中融入工業(yè)機(jī)器人、信息化、智能化管控等智能制造技術(shù)，圍繞模具智能制造系統(tǒng)調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人編程與操作、模具裝配與智能成型等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在促進(jìn)智能制造領(lǐng)域高素質(zhì)復(fù)合型技能人才的技術(shù)提升和培養(yǎng)。該綜合系統(tǒng)是匯博機(jī)器人公司依據(jù)全國(guó)智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造要求和當(dāng)前市場(chǎng)需求按照“設(shè)備自動(dòng)化+生產(chǎn)精益化+管理信息化+人員高效化”理念開(kāi)發(fā)而成，該系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工、MES 智能管控技術(shù)等為核心，將工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工、智能檢測(cè)、信息采集等典型加工制造設(shè)備集成為智能制造單元“硬件”系統(tǒng)，結(jié)合智能化控制技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效加工技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)RFID 數(shù)字信息技術(shù)等“軟件”的綜合運(yùn)用構(gòu)成精密模具智能制造系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)模型及實(shí)物如圖1 所示。

圖1 智能模具制造綜合系統(tǒng)模型及實(shí)物

2 智能模具制造任務(wù)節(jié)拍控制設(shè)計(jì)

精密模具智能制造單元進(jìn)行模具的智能加工過(guò)程主要包含智能制造系統(tǒng)測(cè)試、模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與編程、工業(yè)機(jī)器人編程、模具智能加工與生產(chǎn)管控、模具裝配與智能成形五大環(huán)節(jié)。其中機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)上下料貫穿于制造加工的整個(gè)過(guò)程，因此機(jī)器人的編程示教與調(diào)試顯得尤為重要。

2.1 機(jī)器人手抓快換節(jié)拍分析及程序設(shè)計(jì)

料倉(cāng)物料搬運(yùn)需通過(guò)機(jī)器人手抓系統(tǒng)夾取，對(duì)于不同的物料共需要三種不同型號(hào)的夾爪，因此整個(gè)上下料過(guò)程中正確快速選取夾爪是節(jié)約時(shí)間提高效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。機(jī)器人夾爪擺放在同一平面，在空間坐標(biāo)系Y 軸方向依次排開(kāi)，夾爪位置前方安裝光電檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)夾爪是否在位，夾爪在位時(shí)PLC輸出信號(hào)為TRUE，否則PLC 輸出為FALSE。

料倉(cāng)結(jié)構(gòu)呈垂直矩形分布，共五行六列，電極料放置第一行，鋼毛坯構(gòu)件放置第二、三行，沖壓成型板毛坯料放置第五行，半成品板料放置第四行可翻轉(zhuǎn)卡位，成型料放置第四行前四列。料倉(cāng)分布模型及實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 料倉(cāng)排列分布及實(shí)物圖

根據(jù)料倉(cāng)的分布特點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人給數(shù)控銑床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、電火花機(jī)和沖壓床上下料時(shí)PLC 系統(tǒng)發(fā)送的相應(yīng)信號(hào)，通過(guò)行H 和列I 來(lái)特定判斷料倉(cāng)工件型號(hào)，然后結(jié)合夾爪是否在位信號(hào)應(yīng)用邏輯判斷語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人手抓快換。用來(lái)減少快換過(guò)程中不必要的重復(fù)動(dòng)作。

2.2 上料節(jié)拍分析及路徑優(yōu)化仿真驗(yàn)證

由零件的加工工序分析可知，精密模具制造利用數(shù)控成形機(jī)上的三套模具來(lái)進(jìn)行板料拉深、切邊沖孔、彎曲，實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)生產(chǎn)。

根據(jù)沖壓上料任務(wù)要求分析可知，沖壓成型生產(chǎn)過(guò)程每單獨(dú)生產(chǎn)一個(gè)零件需要三道沖壓工序，即需工業(yè)機(jī)器人分別實(shí)現(xiàn)工件從倉(cāng)庫(kù)（5，1）、（4，1）、（4，2）、（4，3）位置到數(shù)控成形機(jī)A、B、C 模具位置之間來(lái)回搬運(yùn)操作一次，機(jī)器人總的搬運(yùn)節(jié)拍6 次，數(shù)控成形機(jī)啟動(dòng)沖壓節(jié)拍3 次，機(jī)器人換夾爪節(jié)拍1 次。單獨(dú)完成一個(gè)工件任務(wù)節(jié)拍流程。

為了提高加工效率，結(jié)合機(jī)器人搬運(yùn)工件路徑、示教編程特點(diǎn)和任務(wù)節(jié)拍分析，從任務(wù)節(jié)拍優(yōu)化和示教路徑優(yōu)化兩方面入手，并通過(guò)搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）任務(wù)節(jié)拍優(yōu)化。通過(guò)任務(wù)節(jié)拍分析，將單件獨(dú)立加工改為多件連續(xù)加工，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中需機(jī)器人對(duì)數(shù)控成形機(jī)A、B、C 三個(gè)位置同時(shí)上料，使得數(shù)控成形機(jī)一次沖壓完成兩個(gè)半成品和一個(gè)成品的加工，減少數(shù)控成形機(jī)的沖壓動(dòng)作和機(jī)器人的等待時(shí)間，有效提高機(jī)器人和數(shù)控成形機(jī)的利用率，同時(shí)又可以隨機(jī)控制加工工件的數(shù)量。具體的節(jié)拍流程如圖3。

圖3 連續(xù)加工節(jié)拍優(yōu)化流程

（2）示教路徑優(yōu)化。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工件從倉(cāng)庫(kù)到數(shù)控成型機(jī)的搬運(yùn)操作，通常需要示教起始點(diǎn)、預(yù)抓取點(diǎn)、抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)和放置點(diǎn)至少為5 個(gè)點(diǎn)，由于預(yù)抓取點(diǎn)與抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)和放置點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑可設(shè)定為處于某一軸同方向上的直線運(yùn)動(dòng)，因此通過(guò)示教抓取點(diǎn)、放置點(diǎn)位置后，利用坐標(biāo)軸的偏移可以非常便捷地確定預(yù)抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)位置，從而省去預(yù)抓取點(diǎn)和預(yù)放置的示教操作。同時(shí)倉(cāng)庫(kù)的位置和數(shù)控成型機(jī)A、B、C 模具位置均比較集中，因此可以只設(shè)置一個(gè)總起始點(diǎn)和預(yù)放置點(diǎn)，這樣可以減少示教點(diǎn)位，統(tǒng)一倉(cāng)庫(kù)到數(shù)控成型機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑可以減小示教誤差[7]。

針對(duì)機(jī)器人示教路徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí)遵循以下兩點(diǎn)：第一，示教點(diǎn)必須選取能精確定位的卡盤位置，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)能使機(jī)器人精準(zhǔn)再現(xiàn)取放位姿。第二，示教點(diǎn)能夠安全有效的優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，既能確保兩點(diǎn)之間距離最短，又便于通過(guò)示教點(diǎn)在坐標(biāo)軸向上的相對(duì)偏移來(lái)確定必要的取放位置。

按照上述（1）、（2）優(yōu)化規(guī)則搭建仿真模型如圖4 所示，仿真模型按節(jié)拍依次完成如下動(dòng)作：第一步從料庫(kù)取坯料送進(jìn)沖壓機(jī)A 處拉深工位，手爪退出，沖壓成形后機(jī)器人取拉深件并放回料庫(kù)可翻轉(zhuǎn)卡位；第二步從料庫(kù)取坯料送進(jìn)A 處拉深工位，手爪返回料庫(kù)取拉深件送進(jìn)B 處落料工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫(kù)可翻轉(zhuǎn)卡位1，再取沖孔落料件放回料庫(kù)可翻轉(zhuǎn)卡位2；第三步從料庫(kù)取坯料送進(jìn)A 處拉深工位，手爪返回料庫(kù)翻轉(zhuǎn)卡位1 取拉深件送進(jìn)B 處落料工位，手爪再次返回料庫(kù)取翻轉(zhuǎn)卡位2 沖孔落料件送進(jìn)C 處彎曲工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫(kù)可翻轉(zhuǎn)卡位1，然后取沖孔落料件放回料庫(kù)可翻轉(zhuǎn)卡位2，最后通過(guò)手爪快換并取出彎曲件放回料庫(kù)成品工位。由此可以完成工件的連續(xù)加工，仿真過(guò)程驗(yàn)證了路徑節(jié)拍規(guī)劃的可行性。

圖4 仿真驗(yàn)證模型

2.3 沖壓上料程序設(shè)計(jì)與調(diào)試驗(yàn)證

機(jī)器人沖壓上料程序采用主程序調(diào)用模式，沖壓子程序內(nèi)嵌套相應(yīng)的取料和快速換手抓子程序，由此進(jìn)一步完善了程序的邏輯關(guān)系，減少了程序的復(fù)雜編輯輸入過(guò)程。

通過(guò)編程示教和實(shí)操調(diào)試結(jié)果表明，控制設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的準(zhǔn)確示教定位，簡(jiǎn)化程序的編程過(guò)程，減少機(jī)器人冗余的重復(fù)動(dòng)作，提高了程序編程效率和機(jī)器人搬運(yùn)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)，以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度、高效率加工的要求，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上、下料系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床輔助部件越來(lái)越受到機(jī)床制造商和用戶的重視。基于工業(yè)機(jī)器人的精密模具制造控制設(shè)計(jì)在第三屆全國(guó)智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造賽項(xiàng)中已得到驗(yàn)證，通過(guò)任務(wù)節(jié)拍分析和路徑優(yōu)化使得示教過(guò)程簡(jiǎn)化，同時(shí)改進(jìn)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得程序編寫簡(jiǎn)短快捷，機(jī)器人能夠連續(xù)平穩(wěn)的工作，有效的節(jié)約示教時(shí)間，極大的提高了工作效率。