自動化控制技術在機床上下料中的應用分析

尹文芳

（湖南中南智能裝備有限公司，湖南長沙，410117）

0 引言

在國家大力發(fā)展智能制造的背景下，工業(yè)機器人作為先進裝備制造業(yè)中不可替代的重要裝備，已成為中國工業(yè)自動化技術與應用的生力軍。隨著工業(yè)機器人與電子技術、視覺識別、無線通訊等的融合，其應用逐步擴展到電子電氣行業(yè)、金屬制品業(yè)（包括機械）、橡膠及塑料工業(yè)和食品工業(yè)等領域[1]。

針對傳統(tǒng)機床加工行業(yè)加工產(chǎn)品需求量大，且品種繁多，操作人員勞動強度大，生產(chǎn)效率低，定位精度不高的缺點，具備視覺檢測功能的機器人智能加工線能夠更好地解決傳統(tǒng)機床加工制造企業(yè)招工難，產(chǎn)品加工質(zhì)量一致性差的問題，同時為傳統(tǒng)機床加工工廠建設整套的智能化、無人化的生產(chǎn)提供技術基礎。

1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是廣泛用于工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機器人被廣泛應用于電子、物流、化工等各個工業(yè)領域之中[2]。工業(yè)機器人基本組成為肘節(jié)式6軸結(jié)構(gòu)的機器人本體，控制柜和示教控制器。在工業(yè)機器人應用中不同的應用場景配有不同的機器人夾具，用于完成工件的抓取和放置。

機床上下料機器人是在數(shù)控機床上下料環(huán)節(jié)取代了人工的完成工件的自動裝卸功能。機器人夾具采用雙夾具結(jié)構(gòu)，有效提升機器人搬運效率，根據(jù)不同型號的工件產(chǎn)品特點設計專用換型抓手，同時兼容多種工件產(chǎn)品的生產(chǎn)，通用型強，且配置自動吹氣裝置，實現(xiàn)切削液清理和加工鐵屑清理。同時，為了滿足兼容多臺機床上下料的需求，生產(chǎn)線配備機器人直線導軌，在導軌上安裝一臺工業(yè)機器人，直線導軌伺服電機驅(qū)動，具有重復定位精度高，響應速度快，運動平穩(wěn)等特點。機器人直線導軌采用專門設計齒輪齒條消隙機構(gòu)，以適應補償齒輪副的安裝誤差、齒輪的裝配誤差，齒輪發(fā)熱變形等因素引起的尺寸偏差，有效地提高機器人地軌（導軌）的使用壽命，其重復精度高達±0.03mm，數(shù)控機床上下料機器人具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點，主要適應的對象大多為大批量重復性或者是工件質(zhì)量較大以及工作環(huán)境惡劣條件。

圖1 工廠實景圖

2 PLC控制系統(tǒng)概述

■2.1 可編程控制器PLC

PLC是可編程控制器的簡稱，自20世紀60年代問世以來，由于它具有使用方便、可靠性極高、價格適中等特點，一直處于迅猛發(fā)展狀態(tài)，已成為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大技術（機器人技術、CAD/CAM技術和PLC技術）支柱之一。PLC本質(zhì)上是一臺用于控制的專用計算機，因此它與一般的控制機在結(jié)構(gòu)上有很大的相似性。PLC的主要特點是與控制對象有更強的接口能力，也就是說，它的基本結(jié)構(gòu)主要圍繞著適宜于過程控制，即過程中數(shù)據(jù)的采集和控制信號的輸出以及數(shù)據(jù)的處理要求來進行設計的。

■2.2 PLC控制系統(tǒng)性能

在機床自動上下料生產(chǎn)線應用中，控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，CPU自帶編程接口，配置輸入輸出模塊及穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)采用PLC控制機床工位、液壓設備、上下料機器人、去毛刺設備、安全防護等系統(tǒng)的協(xié)同動作，系統(tǒng)帶斷電記憶保護功能，來電后可按原程序斷電點繼續(xù)作業(yè)，每套系統(tǒng)與數(shù)控設備的控制系統(tǒng)對接，通過觸摸屏反映產(chǎn)品加工的實時狀態(tài)，并與上位機關聯(lián)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

■2.3 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡

控制系統(tǒng)通過標配的通信接口與觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)通訊，通過通訊總線方式通訊，實現(xiàn)機器人與夾具、輸送機、專機設備其它外圍設備等的聯(lián)動，并實現(xiàn)整條生產(chǎn)線之間的互聯(lián)。控制系統(tǒng)配視覺系統(tǒng)，通過它來讀取產(chǎn)品的位置，以便機器人進行精確的抓取動作。

控制系統(tǒng)采用了硬接線的方式，與每臺數(shù)控機床相連?？刂葡到y(tǒng)給每臺數(shù)控機床的控制信號均通過繼電器進行中轉(zhuǎn)。通過對每臺數(shù)控機床的推拉門進行改造，實現(xiàn)其的協(xié)同全自動控制。

圖3 視覺控制示意圖

3 自動化控制關鍵技術

■3.1 視覺及測距控制

機床上料過程中，存在不同品種工件產(chǎn)品毛坯厚度不一致使得機器人抓取位置不一致，最終導致工件加工厚度不合格或工件上下表面加工面平面度不合格的問題。通過采用視覺控制技術，配合獨立設計伺服旋轉(zhuǎn)裝置，實現(xiàn)工件自動位置找正，同時解決機器人正確識別工件放置角度的問題，以達到準確上料目標。

視覺控制通過相機對工件進行拍照，圖像處理單元對工件圖片進行處理，并將工件坐標數(shù)據(jù)反饋給機器人，控制機器人各關節(jié)伺服電機，以實現(xiàn)工件抓取；測距系統(tǒng)測量工件底面到測距系統(tǒng)發(fā)光面面的距離，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元將測量的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，通過機器人實現(xiàn)工件位置補償。

■3.2 機器人控制系統(tǒng)及伺服控制

伺服控制為機器人增加了行走軸和工件擺正旋轉(zhuǎn)軸兩個外部軸。該設計集成兩個伺服電機、行走導軌及旋轉(zhuǎn)平臺。機器人本體安裝在行走導軌上，伺服電機控制機器人的移動以保證其在多機床不同位置的精準作業(yè)；通過機器人夾具上的視覺系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)平臺上的伺服電機配合作業(yè)，完成工件的擺正或工件特征識別，及有效避免了機器人重復操作導致工件碰撞問題。

■3.3 機床協(xié)調(diào)控制

設計采集機床自動門、輔助裝置檢測信號、機床加工信號、液壓夾具檢測等信號，并與機床控制器進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，集中控制機床自動門、裝夾工件裝置、液壓設備及其他輔助裝置，從而實現(xiàn)機器人與機床等設備協(xié)調(diào)控制，共同完成全自動加工及上下料的工件生產(chǎn)。

■3.4 控制系統(tǒng)關聯(lián)上位管理系統(tǒng)

PLC具有以太網(wǎng)接口，并支持TCP/IP通訊協(xié)議，可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至上位管理系統(tǒng)，包括加工線計劃生產(chǎn)量，當前生產(chǎn)總量，工件型號等。同時，所有聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行設備的關鍵狀態(tài)信息，如報警信息以及工作、空閑和故障狀態(tài)都可以通過PLC反饋至上位管理系統(tǒng)，為加工線產(chǎn)量統(tǒng)計、故障信息統(tǒng)計和報警統(tǒng)計等提供基礎報表的數(shù)據(jù)支持。

圖4 PLC與機器人控制示意圖

上位管理系統(tǒng)可自動從PLC獲取相關的數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫，然后通過服務調(diào)用信息上傳接口，把相應的標簽信息上傳到WMS系統(tǒng)。

4 結(jié)論

工業(yè)機器人、視覺相機具有重復定位精度高、可靠性高、生產(chǎn)柔性化及自動化程度高等無可比擬的優(yōu)勢，與人工操作相比，可全天候24小時生產(chǎn)，同時改善工人勞動條件，降低機加工車間重金屬對工人帶來的危害，同時能夠極大地提高工件生產(chǎn)質(zhì)量，全面提升生產(chǎn)效率，減少企業(yè)人力管理成本。

圖5 機床協(xié)調(diào)控制流程圖

自動化控制技術在機床上下料中的應用，實現(xiàn)了機加產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證加工件質(zhì)量的高精度與一致性，并提高了生產(chǎn)效率，降低對工人操作技術難度的要求。在國家工業(yè)智能化自動化大環(huán)境驅(qū)動下，自動化控制技術的廣泛應用必然會推動機床上下料智能加工線的全面應用與發(fā)展。