唐興貴

（昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南安寧 650302）

斜床身數(shù)控車床機(jī)器人自動上下料改造

唐興貴

（昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南安寧 650302）

為提高數(shù)控車削加工的切削效率和加工精度，對CK4536斜床身數(shù)控車床進(jìn)行機(jī)器人自動上下料改造。對HR20-1700-C10機(jī)器人及CK4536數(shù)控車床的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。針對實際的數(shù)控加工，設(shè)計機(jī)器人自動上下料機(jī)構(gòu)，機(jī)器人與數(shù)控車床電氣線路分析改造，規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)行軌跡。該改造能使機(jī)器人于數(shù)控車床相互配合，實現(xiàn)零件加工過程中的自動上下料。

工業(yè)機(jī)器人；自動上下料；CK4536數(shù)控車床；電氣控制改造

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.23

0 前言

隨著市場產(chǎn)品要求的多元化、個性化及高質(zhì)量，生成企業(yè)人工成本增加、生產(chǎn)效率要求更高效，工業(yè)機(jī)器人作為智能制造中重要裝備，已成為中國工業(yè)自動化技術(shù)與應(yīng)用的生力軍。當(dāng)前在制造業(yè)向“智造業(yè)”轉(zhuǎn)型發(fā)展的大潮中，機(jī)器人是升級工廠、使之實現(xiàn)自動化和先進(jìn)技術(shù)的核心，以機(jī)器人替代生產(chǎn)線工人勢在必行，也將有助于消除勞動力缺乏帶來的一系列問題。

1 HR20-1700-C10機(jī)器人和數(shù)控車床工作單元

1.1 HR20-1700-C10機(jī)器人

HR20-1700-C10機(jī)器人是江蘇匯博機(jī)器人有限公司基于埃夫特ER20-C10的基礎(chǔ)上開發(fā)的關(guān)節(jié)臂式機(jī)器人（圖1），其末端最大負(fù)載為20 kg，最大臂展為1700型，控制系統(tǒng)為C10。機(jī)器人工作空間的工作空間為：J1 軸±180°，J2 軸+65°～-145°，J3 軸+175°～-65°，J4 軸±180°，J5 軸±135°，J6 軸±360°，最大運(yùn)動半徑1722mm。HR20-1700-C10機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)定了關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系等3種坐標(biāo)系。首次進(jìn)入手動界面默認(rèn)是關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，可對坐標(biāo)系進(jìn)行切換。機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)是指機(jī)械本體組成，機(jī)械本體由底座部分、大臂、小臂部分、手腕部件和本體管線部分組成，6個伺服電機(jī)驅(qū)動6個關(guān)節(jié)的運(yùn)動來實現(xiàn)機(jī)器人不同的運(yùn)動形式。只有機(jī)器人裝備了末端工具，并且連接到數(shù)控車床，組成一個系統(tǒng)以后，機(jī)器人才能實現(xiàn)自動上下料。

1.2 CK4536斜床身數(shù)控車床

圖1 HR20-1700-C10機(jī)器人外觀

CK4536斜床身數(shù)控車床是一種半閉環(huán)式的數(shù)控車床，是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工軸、盤類零件的高效自動化車床，數(shù)控車床能實現(xiàn)X和Z聯(lián)動控制，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)各種補(bǔ)償功能，還具有各種加工固定循環(huán)、加工過程圖形顯示、人機(jī)話、故障自動診斷、離線編程、和計算機(jī)聯(lián)機(jī)進(jìn)行計算機(jī)輔助制造，能進(jìn)行復(fù)雜表面的加工。數(shù)控車床配備多工位刀塔，具有廣泛的加工藝性能，可實現(xiàn)軸類、盤類零件外內(nèi)孔、端面、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋、槽、蝸桿等復(fù)雜件加工，適用于批量加工?，F(xiàn)結(jié)合HR20-1700-C10工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動上下料的實際改造應(yīng)用。

2 數(shù)控車床及機(jī)器人自動上下料工作流程

機(jī)器人在數(shù)控車床加工時準(zhǔn)確、及時地上下料，必須要克服以下困難：①加工工件在數(shù)控車床上的車削工藝流程；②合適的末端手爪；③規(guī)劃、編制運(yùn)動程序；④機(jī)器人與數(shù)控車床聯(lián)動控制。

3 組合應(yīng)用實例

3.1 綜合工件數(shù)控車削工藝分析

工件材料鋁合金，包含內(nèi)外螺紋、內(nèi)孔、外圓柱面、外圓錐面及端面等（圖2）。在數(shù)控車床上完成加工時，需要進(jìn)行兩次裝夾。現(xiàn)以數(shù)控車床加工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人上下料技術(shù)的應(yīng)用，以自動上下料的方式加工該工件，提高加工效率。

3.2 HR20-1700-C10工業(yè)機(jī)器人擴(kuò)展功能

3.2.1 加工設(shè)備布置

圖2 加工零件

考慮實訓(xùn)室設(shè)備布局緊湊性，機(jī)器人與數(shù)控車床采用一對一的安裝較為合適。設(shè)備布局與工作過程示意如圖3所示。

3.2.2 機(jī)器人末端工具設(shè)計

根據(jù)工件的外形結(jié)構(gòu)及毛坯形狀特點(diǎn)，設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪），該執(zhí)行器由氣缸、傳感器及機(jī)械部件等構(gòu)成（圖4）。其特點(diǎn)為底座和機(jī)器人的端部連接，底座安裝氣缸控制手爪松開、夾緊，安裝磁性開關(guān)檢測手爪的松開和夾緊到位狀態(tài)。手爪分別用于夾取毛坯、半成品或成品。

圖3 自動上下料工作過程示意

圖4 手爪部件

3.2.3 機(jī)器人與車床電氣線路連接

從硬件和軟件兩方面改造機(jī)器人和機(jī)床之間的控制，使之更好的協(xié)調(diào)機(jī)器人與數(shù)控車床的工作。硬件方面，機(jī)床采用華數(shù)集成PLC控制、機(jī)器人PLC為KeMotion系統(tǒng)控制，通過屏蔽電纜將兩控制系統(tǒng)間對應(yīng)的輸入與輸出點(diǎn)進(jìn)行連接。為實現(xiàn)機(jī)器人機(jī)床自動上下料系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，軟件方面在機(jī)床控制程序中增加機(jī)器人啟動、結(jié)束、安全門開關(guān)等信號控制，在機(jī)器人控制系統(tǒng)中通過屏蔽電纜，采集機(jī)床工作狀態(tài)、安全門控制狀態(tài)等信號，編寫機(jī)器人自動上下料的PLC控制程序，最終達(dá)到機(jī)床與機(jī)器人I/O有效通信。HR20-1700-C10機(jī)器人輸入及數(shù)控機(jī)床輸出信號對照關(guān)系如表1所示。機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床工裝I/O接線見圖5，機(jī)床控制程序修改見圖6。

3.2.4 機(jī)器人上下料運(yùn)動軌跡規(guī)劃

（1）運(yùn)動軌跡規(guī)劃。規(guī)劃機(jī)器人上下料手爪運(yùn)動路線（圖7）。（2）規(guī)劃設(shè)計手爪。根據(jù)毛坯及半成品規(guī)格尺寸，設(shè)計手爪。（3）機(jī)器人上下料程序編制。根據(jù)運(yùn)行軌跡示意圖，編制機(jī)器人自動上下料控制程序。機(jī)器人程序變量如下。

機(jī)器人輸出的I/O變量

表1 HR20-1700-C10機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床I/O信號對照

圖5 機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床工裝I/O接線

圖6 機(jī)床部分控制程序

圖7 運(yùn)動軌跡示意

4 結(jié)束語

機(jī)器人在斜床身數(shù)控車床中實現(xiàn)自動上下料控制，為實際加工中對工件輸送要求較高和定位要求精確的數(shù)控機(jī)床（特別是車削中心、加工中心和車銑中心）點(diǎn)位控制的發(fā)展和應(yīng)用提供了一個解決方案，可以實現(xiàn)無人化、自動化以及智能制造的要求。該上下料系統(tǒng)配備在數(shù)控車床上，可滿足軸類零件上料和下料及碼垛需求。本次改造結(jié)合了機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的功能，數(shù)控機(jī)床操作的安全性得到了提高，勞動強(qiáng)度大幅降低，工件的自動上下料及自動加工連接更緊密，為后續(xù)的智能制造應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。

［1］劉艷華，何高清，祖晅.柔性車削中心上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012（7）:96-98.

［2］王學(xué)良.機(jī)械手上下料控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2012.

［3］韓金利.華中8型系統(tǒng)數(shù)控PLC編程方法的研究［J］.機(jī)械工程師，2013（9）:93-95.

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〔編輯 凌 瑞〕