加工生產(chǎn)線的自動化改造探析

關(guān)慶隆

摘 要：當(dāng)前，自動化控制已成為了工業(yè)發(fā)展的主要方向，做好生產(chǎn)線設(shè)備及系統(tǒng)的自動化改造工作十分必要。本文結(jié)合某差速器殼體類加工生產(chǎn)線自動化改造項目實例，對其自動化改造進行了詳細(xì)的介紹，為類似生產(chǎn)線自動化改造提供參考。

關(guān)鍵詞：加工生產(chǎn)線；自動化；改造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步以及自動化控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)手工操作已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)發(fā)展的需求，工業(yè)自動化建設(shè)得到了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)線中，應(yīng)用自動化技術(shù)，能夠有效提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，同時還對提升企業(yè)的經(jīng)濟效益及核心競爭力起到至關(guān)重要的作用。基于此，筆者進行了相關(guān)介紹。

1.項目背景

某加工生產(chǎn)線由三臺立式車床和兩臺加工中心組成，機床均為手動開關(guān)門，部分機床系統(tǒng)通信方面只具有RS232串口通信能力。該線主要生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，它們外形相似，工藝流程相同，工裝、刀具通用，產(chǎn)品柔性化程度較高。工件在機床上的定位工序間需翻轉(zhuǎn)一次，其中，有兩個工序有角向定位要求。

2.項目內(nèi)容

對現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備進行功能及自動化改造，增加多關(guān)節(jié)機器人、2D/3D視覺拍照系統(tǒng)及行走導(dǎo)軌，增加生產(chǎn)線附屬設(shè)施，實現(xiàn)工件的自動運轉(zhuǎn)。通過增加刀具管理系統(tǒng)、產(chǎn)品的在線檢測及刀具破損檢測等功能，實現(xiàn)兩種產(chǎn)品在現(xiàn)有生產(chǎn)線上的一定時間內(nèi)的無人化生產(chǎn)。

2.1整個系統(tǒng)的組成

整個項目系統(tǒng)由一個PLC總控制柜、一臺FANUC機器人R2000iC/165F、一個機器人控制柜R-30iB、FANUCiR Vision 2DV/3DL視覺系統(tǒng)、行走軸（第七軸）、抽檢臺、五個換向臺、切屑及切削液清理裝置、物料自動輸送線、角向定位周轉(zhuǎn)臺、非標(biāo)卡爪（斷氣保持）、3臺數(shù)控車床、2臺加工中心、兩套雷尼紹在線測量Primosystem、三套刀具破損系統(tǒng)TRS2及一套基恩士電感測筆（GT2-A12K）組成。

2.2電氣連接

機器人控制柜與機器人進行接線（包括氣路的連接）及通信設(shè)置；將所需的機床信號點（如開關(guān)門、程序啟動、報警等）采集后利用cclink模塊集成與總控進行I/O通信連接；同樣將輸送線上的變頻器、電磁閥以及傳感器等開關(guān)量也利用CCLINK進行集成與總控制柜通信連接；然后完成總控與機器人控制柜的接線通信；轉(zhuǎn)換臺、抽檢臺及吹氣筒的電磁閥及傳感器的信號則通過直接接線實現(xiàn)I/O連接。

2.3產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)的設(shè)計方案

由于產(chǎn)品在加工流轉(zhuǎn)過程中存在四次翻轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)工件的自由換向，利用齒輪齒條旋轉(zhuǎn)工作原理，借助氣缸、電磁閥和限位塊。實現(xiàn)工件靈活、準(zhǔn)確的換向，并通過控制柜控制轉(zhuǎn)換臺的旋轉(zhuǎn)。

2.4產(chǎn)品的定位及產(chǎn)品抓取方案

（1）2D/3D視覺的應(yīng)用。為實現(xiàn)對托盤上毛坯的準(zhǔn)確抓取，我們利用FANUCiRVision3DL視覺系統(tǒng)，對托盤中的產(chǎn)品進行特征識別，依據(jù)基準(zhǔn)特征進行校正，對工件進行準(zhǔn)確定位，確保工件抓取時準(zhǔn)確可靠。OP15工件在安裝時需要有準(zhǔn)確的角向定位要求，為此，我們利用FANUCiRVision2D視覺系統(tǒng)，充分利用工件的有效角向特征量，來滿足工件的角向定位抓取及安裝要求。

（2）三指氣動手抓設(shè)計。為同時滿足產(chǎn)品大小端的抓取，避免更換手抓或者設(shè)計雙手抓浪費時間、占空間的問題，將手抓設(shè)計成階梯型手抓，手抓帶斷氣保持，保證抓取的安全。

2.5抽檢臺的設(shè)計方案

根據(jù)工件兩種放置狀態(tài)設(shè)置兩個抽檢臺，并可沿導(dǎo)軌往復(fù)運動。操作人員在圍欄外選取需抽檢機床（工序）的開關(guān)，機器人將自動在該機床（工序）加工完成后，將待測工件放在抽檢平臺上，并輸出到安全圍欄外。抽檢完成后人工向系統(tǒng)發(fā)送完成信號，機器人會自動將產(chǎn)品送回生產(chǎn)線進行后序加工。

2.6機床、工裝改造

（1）自動門的改造。現(xiàn)場的數(shù)控機床PMC具備自動門功能，根據(jù)機床電氣原理圖將自動門K代碼接通，把自動門功能打開，然后查找開關(guān)門的M代碼指令。取機床兩個輸入X分別接在開門按鈕和關(guān)門按鈕上，再取兩個輸出Y接在三位五通的電磁閥上，再從電磁閥上引出氣管接入自動門的氣缸上，在機床上安裝氣缸及接線，接入機床對應(yīng)的Y輸出。同時增加門開到位檢測的控制。自動門自動運行通過執(zhí)行M代碼實現(xiàn)，同時人工可以通過開關(guān)門按鈕對其控制。

（2）液壓工裝的改造。對OP15序工裝進行液壓改造，由手動夾緊，改為液壓夾緊，同時增加定位面的氣密檢測裝置，將氣密信號寫入機床PMC，實現(xiàn)氣密檢測及報警，保證定位可靠。

（3）機床底液管路改造。為清理工裝切屑，將機床底液管路改造，通過管路引到機床側(cè)壁上，對工件、工裝進行沖刷，并通過機底液開關(guān)M代碼集成到加工程序中來控制。

2.7機器人搬運系統(tǒng)流程

整個生產(chǎn)線進行初始化確認(rèn)，從托盤利用視覺系統(tǒng)進行拍照抓取毛坯，放置轉(zhuǎn)換臺，機器人讀取各機床的上料、下料信號，并通過節(jié)拍判斷，選擇對哪臺機床進行上料、下料。其中工件OP10到OP15時，再次進行拍照，識別角向特征，準(zhǔn)確抓取。當(dāng)需要抽檢時，控制柜發(fā)出具體工位抽檢信號，機器人執(zhí)行抽檢程序，抽檢完成后，工件被放回，繼續(xù)加工。

機器人搬運系統(tǒng)流程如圖1所示，整個設(shè)計方案實現(xiàn)了機器人與機床、輸送線及相關(guān)附件的基本通信，滿足了機器人對工件的定位、翻轉(zhuǎn)、抓取、抽檢及準(zhǔn)確上下料，構(gòu)成了一套完整的、響應(yīng)迅速的搬運系統(tǒng)。

圖1

3.在線檢測技術(shù)在自動線改造中的應(yīng)用

3.1基于宏程序的雷尼紹在線檢測技術(shù)的二次開發(fā)應(yīng)用

為解決產(chǎn)品的在線檢測，我們在數(shù)控立車上安裝了雷尼紹在線檢測系統(tǒng)，主要對外圓內(nèi)孔進行測量以及實現(xiàn)部分刀具的自動對刀。但雷尼紹在立車上的應(yīng)用還比較罕見，我們通過研究，對該系統(tǒng)進行了二次開發(fā)。

雷尼紹的測量二次開發(fā)思路分析：由雷尼紹測量原理可知，該系統(tǒng)的測量思路是“工件加工前檢測”，即對下一工件加工前進行修正。該測量系統(tǒng)適用于工件的偏差值必須設(shè)定在公差范圍內(nèi)，修正的目標(biāo)是將在公差范圍的尺寸不斷趨近中值的過程，類似于CPK上下線的收窄，借助測量控制來提高過程控制能力及穩(wěn)定性。如果測量超差，系統(tǒng)就會報警，測量結(jié)果不會保存，這時需人工介入測量，人工修正加工。這對自動線運轉(zhuǎn)造成一個較長的停機時間。

利用宏程序?qū)⒓庸で皽y量改為加工過程中的測量，即當(dāng)前工件加工、測量后，將測量結(jié)果與工件要求公差進行比較判斷，如果合格則放行，程序結(jié)束。如果超差，雷尼紹（程序）會將差值進行自動補償，并對該尺寸自動進行二次加工，然后針對該尺寸進行二次測量，此時從理論上講，加工的工件為合格工件，所以此時調(diào)用的測量程序的公差范圍為工件的真實公差，一旦測量超差，說明測量系統(tǒng)異常。這相當(dāng)于對測量系統(tǒng)的一個二次反饋與測評。從而使整個系統(tǒng)形成一個完整的閉環(huán)，保證了整個測量系統(tǒng)的安全可靠性。

3.2對刀功能

未使用對刀儀時，每把刀的補償值是通過人工試切，然后對試切工件進行測量計算，補償才能完成，此方式容易造成工件的報廢。當(dāng)更換刀具時，原則上這項工作要重新進行，先試切、再刀補。該工作占用大量的生產(chǎn)輔助時間，尤其在自動生產(chǎn)線中，造成大量停機時間，影響整條線的搬運效率。我們利用雷尼紹的刀具破損檢測，實現(xiàn)了刀具的自動對刀，刀具更換后，無需再人為退刀補，再加工，便能得到準(zhǔn)確的刀具補償值。

此次雷尼紹測量系統(tǒng)在數(shù)控立車上的應(yīng)用并對其二次開發(fā)，實現(xiàn)了對該技術(shù)的一個突破，尤其為立式車床實現(xiàn)在線檢測提供了經(jīng)驗。

3.3基于基恩士測筆的在線檢測及自動補償技術(shù)的二次開發(fā)

OP10序的在線檢測，是利用基恩士測筆來實現(xiàn)的。該測筆系統(tǒng)是獨立于機床以外的控制測量系統(tǒng)，測筆作為末端傳感器，通過測筆與工件接觸時測筆的壓縮量觸發(fā)傳感器開關(guān)。

基恩士控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄信號觸發(fā)位置，通過CPU進行處理，得到測量數(shù)值。由于整個基恩士測筆與機床相互獨立，無法實現(xiàn)在線檢測后的刀具自動補償，為此需要建立測筆與機床間的通信，實現(xiàn)自動補償。

實現(xiàn)方式：通過增加小型工控機，設(shè)計開發(fā)測量軟件，讀取測筆的測量值，并通過運算，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品尺寸，利用CF卡轉(zhuǎn)網(wǎng)口，實現(xiàn)工控機與機床的通信，使之既能讀取機床的模態(tài)變量又能對機床的宏變量地址進行寫入，實現(xiàn)雙向傳輸。在此基礎(chǔ)上與機床宏程序及總控相配合，實現(xiàn)對產(chǎn)品的在線檢測、自動補償以及檢測頻次的設(shè)置。

4.刀具管理系統(tǒng)在自動線改造中的應(yīng)用

為解決項目實施中刀具更換頻繁，導(dǎo)致人為干預(yù)較多，將刀具壽命管理系統(tǒng)應(yīng)用于自動化改造。

原理：利用宏程序，將刀組的信息（包括刀組數(shù)及刀具壽命）、刀組的內(nèi)的刀具地址及刀具偏置地址以及每把刀具的刀具壽命計數(shù)寄存器的數(shù)值進行讀取，添加到FANUC刀具管理系統(tǒng)的可視化的頁面上，一把刀的刀具壽命達到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)接受信號，同時調(diào)用該刀組內(nèi)的備用刀具，當(dāng)?shù)督M內(nèi)刀具壽命全部達到時，即已使用刀具數(shù)達到刀組預(yù)設(shè)刀具數(shù)時，機床PMC報警。

完成刀具壽命管理程序后，刀組及相應(yīng)刀具壽命更新到刀具壽命管理系統(tǒng)中。加工程序中調(diào)用格式為TXX99。在加工程序中調(diào)用所需刀組號，即可實現(xiàn)刀具壽命的管理及備用刀具的自動切換，從而減少了換刀頻次，提高了刀具的使用規(guī)范性。

5.結(jié)語

綜上所述，加工生產(chǎn)線的自動化改造能夠有效解放勞動力，提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及質(zhì)量，促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在生產(chǎn)線自動化改造中，需要結(jié)合生產(chǎn)線的實際需求，合理應(yīng)用先進的自動化技術(shù)進行改造，從而提高生產(chǎn)線的自動化水平，提高生產(chǎn)線的運行效益。

參考文獻：

[1]張萬賓，劉建永.中小型沖壓生產(chǎn)線自動化改造設(shè)計[J].中國科技信息，2017（24）：36-37.

[2]龔洪浪，李麗娜.工業(yè)機器人在拖拉機變速箱生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（20）：114-116.

[3]艾曉飛.設(shè)備及生產(chǎn)線自動化改造與管理[J].設(shè)備管理與維修，2017（01）：19-20.