張新棋，董傳杰，王磊，李廣

（北京長(zhǎng)征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

現(xiàn)代化生產(chǎn)中對(duì)于柔性化制造的要求越來(lái)越高，企業(yè)常常希望對(duì)于批量較小但種類很多的相近類零件可以通過(guò)較少的制造單元完成生產(chǎn)，這樣可以節(jié)約制造企業(yè)的設(shè)備、人力、物料和場(chǎng)地，甚至可以將多品種小批量的產(chǎn)品集中到一個(gè)加工中心或者廠房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)，這就要求制造型企業(yè)不斷加快和完善自己智能制造平臺(tái)的建設(shè)。對(duì)于機(jī)加工的智能制造，目前絕大多數(shù)企業(yè)采用的都是機(jī)器人上下料的方式實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)現(xiàn)方式可以是一個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)一臺(tái)機(jī)床，也可以是一個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)多臺(tái)機(jī)床。對(duì)于一個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)多臺(tái)機(jī)床的方式，除了機(jī)器人固定、合理分布機(jī)床布局的形式外，還可以采用地軌或桁架機(jī)器人的方式，即增加一個(gè)第七軸，使機(jī)器人可以沿第七軸移動(dòng)，并在對(duì)應(yīng)的機(jī)床位置進(jìn)行上下料[1-4]。

對(duì)于一個(gè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)床的形式，通常適用于企業(yè)內(nèi)部簡(jiǎn)單的自動(dòng)化改造，生產(chǎn)的也多是成熟的、批量化的產(chǎn)品；目前對(duì)于多品種小批量生產(chǎn)，企業(yè)應(yīng)用更多的是桁架式機(jī)械手進(jìn)行多個(gè)機(jī)床的上下料。這種方式不占用機(jī)床前面人工操作的場(chǎng)地，能夠有效地實(shí)現(xiàn)人工和自動(dòng)切換，但實(shí)施起來(lái)通常都是根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)和布局進(jìn)行非標(biāo)定制，通用性較差。桁架形式的機(jī)械手通常不適用于機(jī)床相互位置較為擁擠或者廠房?jī)?nèi)部高度空間較小的場(chǎng)合。這種形式的機(jī)械手往往裝配困難，現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量很大，常常需要企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)設(shè)備的相互配合（比如天車、升降車、吊車等），生產(chǎn)過(guò)程中需要流轉(zhuǎn)設(shè)備的配合（如AGV車等），能夠兼顧的執(zhí)行單元（如清洗、測(cè)量裝置等）較少，可擴(kuò)展性差，后期維修維護(hù)也有很多的問(wèn)題[5-9]。

因此，企業(yè)有時(shí)候也會(huì)采用地軌機(jī)器人的形式進(jìn)行上下料。這就需要設(shè)計(jì)一種具備安全防護(hù)能力、可擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠充分利用場(chǎng)內(nèi)空間的基于地軌機(jī)器人上下料的智能制造系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)軟件總體控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的進(jìn)出料、流轉(zhuǎn)、上下料、機(jī)加工、清洗、測(cè)量等各個(gè)方面的管理。

1 產(chǎn)線設(shè)計(jì)

智能生產(chǎn)線整體布局示意圖如圖1所示。機(jī)床分為兩排相對(duì)布置在車間兩側(cè)，每一排機(jī)床后面配一條集中排屑機(jī)，將機(jī)床的廢屑通過(guò)集中排屑機(jī)的支線集中收集到其主線中，再通過(guò)集中排屑機(jī)的主線分別排到出口廢屑收集車?yán)铩Ｖ虚g通過(guò)護(hù)欄將地軌機(jī)器人、托盤庫(kù)、清洗烘干機(jī)、三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房包圍并與外部隔離起來(lái)，僅通過(guò)進(jìn)出料平臺(tái)將裝夾好工件的托盤或生產(chǎn)完成產(chǎn)品的托盤進(jìn)行線內(nèi)外的傳送。進(jìn)出料操作平臺(tái)示意圖如圖2所示。

圖1 智能生產(chǎn)線整體布局示意圖

圖2 進(jìn)出料操作平臺(tái)示意圖

護(hù)欄包括兩側(cè)的手動(dòng)門和對(duì)應(yīng)機(jī)床的自動(dòng)門。手動(dòng)門平時(shí)不開啟，當(dāng)線內(nèi)遇到特殊情況或者需要維修時(shí)，可以打開手動(dòng)門進(jìn)入線內(nèi)進(jìn)行工作，此時(shí)整個(gè)生產(chǎn)線處于停止?fàn)顟B(tài)，各環(huán)節(jié)均暫停工作。護(hù)欄的自動(dòng)門位置與機(jī)器人在對(duì)應(yīng)機(jī)床上下料的位置相協(xié)調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)門全部關(guān)閉，線內(nèi)設(shè)備不工作，此時(shí)可以人工操作機(jī)床；當(dāng)系統(tǒng)處于半自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人和人可以共線工作，自動(dòng)門為常閉狀態(tài)，機(jī)器人不會(huì)到人工操作機(jī)床的位置進(jìn)行上下料，且機(jī)器人到位后，自動(dòng)門才會(huì)開啟，此時(shí)地軌機(jī)器人首先通過(guò)檢測(cè)雷達(dá)對(duì)機(jī)床前面區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，如發(fā)現(xiàn)有多余物體則停止上下料并報(bào)警；當(dāng)系統(tǒng)處于全自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)門全部打開，人員不得進(jìn)入操作機(jī)床。護(hù)欄一方面起到安全防護(hù)的作用，另一方面將線內(nèi)線外區(qū)分開來(lái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)手自切換的功能，可以增加車間內(nèi)機(jī)床的利用率。

地軌機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)的指示，除了機(jī)床上下料外，還可以將托盤從進(jìn)出料平臺(tái)取出、取回，在托盤庫(kù)里存儲(chǔ)托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機(jī)內(nèi)清洗，或者放到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中進(jìn)行加工后的尺寸檢測(cè)。地軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 地軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

托盤和托盤庫(kù)根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)和型號(hào)可以設(shè)計(jì)多種型式，只要保證接口統(tǒng)一即可。托盤接口應(yīng)保證托盤可以在進(jìn)出料平臺(tái)上自動(dòng)定位和夾緊，并且能在機(jī)床上自動(dòng)上料。在托盤流轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可以增加工業(yè)相機(jī)或者RFID射頻模塊分別對(duì)產(chǎn)品和托盤進(jìn)行識(shí)別。托盤庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 托盤庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖

清洗烘干機(jī)具備與標(biāo)準(zhǔn)托盤相配合的放置接口，由機(jī)器人將托盤放到設(shè)備的進(jìn)出料口，進(jìn)料清洗后可以選擇是否烘干，并在清洗完成后將產(chǎn)品和托盤送出，再由機(jī)器人取走。托盤結(jié)構(gòu)及分類示意圖如圖5所示。三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房是整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)量檢驗(yàn)部分，其中恒溫機(jī)房對(duì)應(yīng)地軌機(jī)器人方向設(shè)計(jì)自動(dòng)開閉的窗戶，機(jī)器人從該窗口取放料。中控臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的總體管理、控制和監(jiān)視的平臺(tái)，布置在線外進(jìn)出料平臺(tái)所在方向，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。

圖5 托盤結(jié)構(gòu)及分類示意圖

2 工作流程

在圖1、圖2所示總體布局中，機(jī)床分為兩排相對(duì)布置在車間兩側(cè)，每一排機(jī)床后面配一條集中排屑機(jī)，將機(jī)床的廢屑通過(guò)集中排屑機(jī)的支線集中收集到其主線中，再通過(guò)集中排屑機(jī)的主線分別排到出口廢屑收集車?yán)?。中間通過(guò)護(hù)欄將地軌機(jī)器人、托盤庫(kù)、清洗烘干機(jī)、三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房包圍并與外部隔離起來(lái)，僅通過(guò)進(jìn)出料平臺(tái)將裝夾好工件的托盤或生產(chǎn)完成產(chǎn)品的托盤進(jìn)行線內(nèi)外的傳送。智能生產(chǎn)線俯視圖如圖6所示。

圖6 智能生產(chǎn)線俯視圖

護(hù)欄包括兩側(cè)的手動(dòng)門和對(duì)應(yīng)機(jī)床的自動(dòng)門。手動(dòng)門平時(shí)不開啟，當(dāng)線內(nèi)遇到特殊情況或者需要維修時(shí)，可以打開手動(dòng)門進(jìn)入線內(nèi)進(jìn)行工作，此時(shí)整個(gè)生產(chǎn)線處于停止?fàn)顟B(tài)，各環(huán)節(jié)均暫停工作。護(hù)欄的自動(dòng)門位置與機(jī)器人在對(duì)應(yīng)機(jī)床上下料的位置相協(xié)調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)門全部關(guān)閉，線內(nèi)設(shè)備不工作，此時(shí)可以人工操作機(jī)床；當(dāng)系統(tǒng)處于半自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人和人可以共線工作，自動(dòng)門為常閉狀態(tài)，機(jī)器人不會(huì)到人工操作機(jī)床的位置進(jìn)行上下料，且機(jī)器人到位后，自動(dòng)門才會(huì)開啟，此時(shí)地軌機(jī)器人首先通過(guò)檢測(cè)雷達(dá)對(duì)機(jī)床前面區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，如發(fā)現(xiàn)有多余物體則停止上下料并報(bào)警；當(dāng)系統(tǒng)處于全自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)門全部打開，人員不得進(jìn)入操作機(jī)床。護(hù)欄一方面起到安全防護(hù)的作用，另一方面將線內(nèi)線外區(qū)分開來(lái)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)手自切換的功能，可以增加車間內(nèi)機(jī)床的利用率。地軌機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)的指示，除了機(jī)床上下料外，還可以將托盤從進(jìn)出料平臺(tái)取出、取回，在托盤庫(kù)里存儲(chǔ)托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機(jī)內(nèi)清洗，或者放到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中進(jìn)行加工后的尺寸檢測(cè)。三坐標(biāo)儀和恒溫機(jī)房是整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)量檢驗(yàn)部分，其中恒溫機(jī)房對(duì)應(yīng)地軌機(jī)器人方向設(shè)計(jì)自動(dòng)開閉的窗戶，機(jī)器人從該窗口取放料。中控臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的總體管理、控制和監(jiān)視的平臺(tái)，布置在線外進(jìn)出料平臺(tái)所在方向，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

3 操作系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)柔性單元的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)改造預(yù)期將達(dá)到3個(gè)目的，對(duì)機(jī)床組網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)程序上傳下載，組態(tài)軟件的安裝實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，對(duì)機(jī)床內(nèi)置控制器的改造實(shí)現(xiàn)機(jī)床的遠(yuǎn)程控制，與機(jī)器人的協(xié)同[10]。

PLC作為主控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的實(shí)時(shí)通信。觸摸屏在進(jìn)出料平臺(tái)外側(cè)，操作員可通過(guò)觸摸屏調(diào)用程序指令、觀察設(shè)備狀態(tài)。操作員將工件定位在進(jìn)出料平臺(tái)的托盤上，機(jī)器人抓取此處含有工件的托盤，然后依據(jù)程序配方自動(dòng)送入相應(yīng)機(jī)床，加工完畢后機(jī)器人將工件放入清洗機(jī)清洗后緩存至托盤物料庫(kù)中。系統(tǒng)具備托盤存儲(chǔ)管理和狀態(tài)監(jiān)控等功能，所有工件可通過(guò)機(jī)器人中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工、清洗、測(cè)量，顯著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。程序及通信示意圖如圖8所示，托盤存儲(chǔ)示意圖如圖9所示，狀態(tài)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖8 程序及通信示意圖

圖9 托盤存儲(chǔ)示意圖

圖10 狀態(tài)監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以較為經(jīng)濟(jì)的成本和布局方式實(shí)現(xiàn)了車銑混合、靈活可控的多品種小批量泵殼產(chǎn)品的智能制造。該設(shè)計(jì)使用地軌機(jī)器人完成對(duì)托盤的進(jìn)出料、庫(kù)管理、機(jī)床上下料、自動(dòng)清洗和測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)施性高，兼容性強(qiáng)，可以通過(guò)機(jī)器人的不同動(dòng)作合成形成不同的功能單元，便于后期上位機(jī)智能排產(chǎn)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過(guò)自動(dòng)門護(hù)欄實(shí)現(xiàn)線外防護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)的快速切換，同時(shí)設(shè)計(jì)了多種接口統(tǒng)一的托盤結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)兼顧車銑兩種不同切削方式的多種型號(hào)機(jī)床的自動(dòng)化加工，整個(gè)系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)可以配置清洗、烘干、測(cè)量等多種設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從毛坯到成品的全生命周期制造。系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)物圖