程智勇，李曉娟，陳華龍，張曉東

(1.廣州鐵路職業(yè)技術學院機電學院，廣東廣州510430;2.廣州數(shù)控設備有限公司技術研究室，廣東廣州510000)

0 前言

機械自動化技術從20世紀20年代首先在機械制造冷加工大批量生產(chǎn)過程中開始發(fā)展應用，尤其是當時的汽車工業(yè)和軍工行業(yè)，大量采用自動化加工。由于技術水平和其他多種原因，當年的自動化生產(chǎn)線大多是以專用機床為主的組合體，柔性很差，或者基本沒有，只有個別工件部分工序實現(xiàn)有限柔性的自動加工，而且這種定義的制造系統(tǒng)也與當代大多數(shù)企業(yè)的實際情況不相容。

然而，隨著人工成本的上漲、工作環(huán)境的改變和多元化的市場競爭，各企業(yè)面臨著重重壓力。金融危機以來，依靠傳統(tǒng)勞動密集型來維系的“中國制造”已難以為繼。目前國內產(chǎn)業(yè)鏈要逐步升級，自動化是一種必然趨勢。在機械制造行業(yè)中應用自動化技術，實現(xiàn)加工對象的連續(xù)自動生產(chǎn)，優(yōu)化高效的自動生產(chǎn)過程，加快生產(chǎn)投入設備、加工工件變換和流動速度。

目前，在金屬切削加工中，我國現(xiàn)階段在產(chǎn)品數(shù)量較大的同類產(chǎn)品連續(xù)流水作業(yè)生產(chǎn)線中，自動化設備仍然是半自動機床、自動機床、組合機床、送料機構組成的自動化生產(chǎn)線，這些自動化生產(chǎn)線柔性差、效率低。因此，作者基于FANUC0iTD 和工業(yè)機器人設計柔性制造單元，應用于柔性自動化加工生產(chǎn)線，可廣泛用于盤類、軸類及箱體類的自動化加工中，具有普遍意義，有很大的經(jīng)濟實用性。

1 零件的加工要求及柔性制造單元的技術要求

隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床發(fā)展為組建柔性金屬切削加工自動化柔性制作單元提供了可靠的保證。以下以某校生產(chǎn)小軸類零件為例介紹柔性制造單元的結構及控制原理。

1.1 零件的加工要求

零件圖，如圖1所示。小軸零件需在數(shù)控車床加工完成，零件材料為45 鋼，毛坯直徑為φ30 實心棒料，毛坯長度為90 mm，單件生產(chǎn)，無熱處理要求。

圖1 小軸零件圖

小軸零件加工工藝有兩道工序，第一道工序:數(shù)控車床上平端面、車外圓、螺紋、切槽、倒角。第二道工序:數(shù)控銑床夾持直徑28 mm 外圓，以螺紋端面定位，銑端面保證長度尺寸60 mm。

1.2 柔性制造單元的技術要求

根據(jù)零件的技術要求，為此提出柔性制造單元的技術要求如下:

(1)工業(yè)機器人夾具夾持一個零件。

(2)機器人在斷電、斷氣時，機器人所抓工件不能松開或脫落。

(3)機器人送料，取料動作要確保正確、到位，卡爪夾持工件不能造成工件損傷。

(4)工業(yè)機器人夾具具有位置感應開關。

(5)工業(yè)機器人上下料位必須在機器人運動范圍之內。

(6)控制系統(tǒng)具有軟/硬限位，控制異常、急停等故障顯示和報警功能。

2 柔性制造單元的結構組成

2.1 柔性制造單元的設備結構

對于小軸的加工，其第一道工序采用一臺數(shù)控車床，配FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)、一個成品料架及一臺GSK 工業(yè)機器人，柔性制造單元整體布局如圖2所示。

圖2 整體布局圖

數(shù)控車床的防護門采用行程500 mm 雙作用氣缸做執(zhí)行元件，實現(xiàn)防護門自動開門和自動關門，氣缸上有兩個感應式傳感器，工作時將感應信號傳給機器人，機器人控制系統(tǒng)將信號接收、處理后再與FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)實施信號交換。

機器人裝有一副氣動手爪，用于抓取和安裝工件，手爪上均有兩個感應式傳感器，工作時將感應信號傳送給機器人，使機器人能準確、可靠地完成預定動作。

2.2 柔性制造單元控制原理和控制方式

此柔性制造單元分為三個控制子單元，分別是一臺FANUC0iTD 系統(tǒng)的數(shù)控車床，一臺GSK 工業(yè)機器人，一個物料架單元。每完成一個動作或運行完一段程序，各相關控制子單元之間必須有相應的信號與機器人控制系統(tǒng)或者FANUC0iTD 數(shù)控系統(tǒng)相互連接傳輸，電氣控制的原則是環(huán)環(huán)相連，控制邏輯合理正確。

柔性制造單元交互對象的控制流程如下:

物料倉送物料→機器人→數(shù)控車床→機器人→成品物料架。

柔性制造單元交互對象交互控制描述如下:

如果各設備都處于正常運行狀態(tài)，則啟動工業(yè)機器人，工業(yè)機器人檢測到數(shù)控車床處于空閑且準備就緒狀態(tài)，則從物料倉搬運工件給數(shù)控車床，運行至車床門前，檢測數(shù)控車床防護門是否打開到位，給數(shù)控車床上料，完成退出，工業(yè)機器人啟動FANUC0iTD數(shù)控車床系統(tǒng)循環(huán)啟動按鈕，車床開始加工;工業(yè)機器人在物料架取料后運行至車床門前，待車床準備就緒后開始取加工完成件，然后上料，完成后退出，工業(yè)機器人啟動FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)循環(huán)啟動按鈕，車床開始加工;工業(yè)機器人將車床加工完成工件放置在成品物料架……以此類推，循環(huán)往復工作。

2.3 柔性制造單元電氣控制系統(tǒng)方案設計

機器人與機床對接信號主要分為兩部分:

機器人→機床:主要有自動門打開、自動門關閉、液壓卡盤打開、液壓卡盤關閉、循環(huán)啟動信號。其IO 信號定義表見表1。

表1 機器人到數(shù)控車床IO 信號定義表

機床→機器人:主要有自動門打開到位、自動門關閉到位、液壓卡盤打開到位、液壓卡盤關閉到位、機床準備好、主軸零速信號。其IO 信號定義表見表2。

表2 機床到機器人IO 信號定義表

2.3.1 柔性制造單元的電路設計

GSK 工業(yè)機器人機器人與FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)輸入信號進行聯(lián)機通信的電路設計，如圖3所示。圖3 信號定義:自動門打開到位、自動門關閉到位、機器人手爪打開到位、機器人手爪關閉到位、卡盤打開到位、卡盤關閉到位。

圖3 GSK 工業(yè)機器人機器人與FANUC0iTD數(shù)控車床系統(tǒng)輸入信號

GSK 工業(yè)機器人機器人與FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)輸出信號進行聯(lián)機通信的電路設計，如圖4所示。圖4 信號定義:自動門打開、自動門關閉、機器人手爪打開、機器人手爪關閉、卡盤打開、卡盤關閉、車床系統(tǒng)啟動。

圖4 GSK 工業(yè)機器人機器人與FANUC0iTD數(shù)控車床系統(tǒng)輸出信號

FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)輸入、輸出信號如圖5所示。

圖5 FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)輸入、輸出信號

圖5 信號定義:機床準備完成、循環(huán)啟動、卡盤打開、卡盤關閉。

2.3.2 修改或增加FANUC0iTD 數(shù)車床控制系統(tǒng)PMC 程序

FANUC0iTD 數(shù)車床控制系統(tǒng)準備完成信號，需要判斷數(shù)控機床沒有急停、限位報警(X8.4)、主軸停止和程序結束(R130.0)、卡盤夾緊工件(R197.0)、自動方式就緒(F3.5)，修改或增加FANUC0iTD 數(shù)車床控制系統(tǒng)PMC 程序，如圖6所示。

圖6 修改或增加FANUC0iTD 數(shù)車床控制系統(tǒng)PMC 程序

3 結束語

基于FANUC0iTD 和工業(yè)機器人柔性制造單元，不但把工人從繁重的、大量重復的勞動中解放出來，而且提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品加工質量也不會受操作者主觀因素的影響而產(chǎn)生優(yōu)劣，并且適用于軸類、盤類及箱體類零件的自動化加工，具有巨大的社會效益。

總之，該柔性制造單元的創(chuàng)新點在于將日本FANUC0iTD 數(shù)控車床系統(tǒng)、GSK 工業(yè)機器人、物料架有效地整合在一起，各設備之間聯(lián)機通信準確、可靠地實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)和自動化管理，具有很大實用性和社會經(jīng)濟價值。

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