基于工業機器人的精密模具制造控制設計

馮占偉，李亞萍

（河南機電職業學院，河南鄭州 451191）

0 引言

在“中國制造2025”戰略全面推進實施的背景下，智能制造已成為了制造業革命的核心，擁有更多能夠掌握這一技術的實用人才將是今后競爭的關鍵[1]。而工業機器人作為一種全新的技術體系，在工業發展領域具有顯著地位，能夠促進工業領域技術更新以及深入發展[2-4]。全國智能制造應用技術大賽著眼于提高學校智能制造教育水平，旨在引導優秀工程人才的培養，推廣和應用智能制造技術[5]。針對智能制造應用技術精密模具制造控制進行研究，工業機器人示教實操與編程應用貫穿全程，運用RoboDK 仿真系統搭建模型對路徑優化的可行性進行測試驗證，最優路徑優化有效減少示教點的個數。因此快速準確的編程示教來提高工作效率是研究的重點。

1 智能模具制造系統簡介與組成

智能模具制造聚焦精密模具加工領域應用實際，在精密模具制造技術中融入工業機器人、信息化、智能化管控等智能制造技術，圍繞模具智能制造系統調試、工業機器人編程與操作、模具裝配與智能成型等內容進行設計，旨在促進智能制造領域高素質復合型技能人才的技術提升和培養。該綜合系統是匯博機器人公司依據全國智能制造應用技術精密模具制造要求和當前市場需求按照“設備自動化+生產精益化+管理信息化+人員高效化”理念開發而成，該系統以工業機器人、數控加工、MES 智能管控技術等為核心，將工業機器人、數控加工、智能檢測、信息采集等典型加工制造設備集成為智能制造單元“硬件”系統，結合智能化控制技術、數字化設計技術、高效加工技術、工業物聯網RFID 數字信息技術等“軟件”的綜合運用構成精密模具智能制造系統[3]，系統模型及實物如圖1 所示。

圖1 智能模具制造綜合系統模型及實物

2 智能模具制造任務節拍控制設計

精密模具智能制造單元進行模具的智能加工過程主要包含智能制造系統測試、模具數字化設計與編程、工業機器人編程、模具智能加工與生產管控、模具裝配與智能成形五大環節。其中機器人自動搬運上下料貫穿于制造加工的整個過程，因此機器人的編程示教與調試顯得尤為重要。

2.1 機器人手抓快換節拍分析及程序設計

料倉物料搬運需通過機器人手抓系統夾取，對于不同的物料共需要三種不同型號的夾爪，因此整個上下料過程中正確快速選取夾爪是節約時間提高效率的關鍵點之一。機器人夾爪擺放在同一平面，在空間坐標系Y 軸方向依次排開，夾爪位置前方安裝光電檢測傳感器來檢測夾爪是否在位，夾爪在位時PLC輸出信號為TRUE，否則PLC 輸出為FALSE。

料倉結構呈垂直矩形分布，共五行六列，電極料放置第一行，鋼毛坯構件放置第二、三行，沖壓成型板毛坯料放置第五行，半成品板料放置第四行可翻轉卡位，成型料放置第四行前四列。料倉分布模型及實物圖如圖2 所示。

圖2 料倉排列分布及實物圖

根據料倉的分布特點，結合工業機器人給數控銑床、三坐標測量機、電火花機和沖壓床上下料時PLC 系統發送的相應信號，通過行H 和列I 來特定判斷料倉工件型號，然后結合夾爪是否在位信號應用邏輯判斷語句來實現工業機器人手抓快換。用來減少快換過程中不必要的重復動作。

2.2 上料節拍分析及路徑優化仿真驗證

由零件的加工工序分析可知，精密模具制造利用數控成形機上的三套模具來進行板料拉深、切邊沖孔、彎曲，實現零件自動生產。

根據沖壓上料任務要求分析可知，沖壓成型生產過程每單獨生產一個零件需要三道沖壓工序，即需工業機器人分別實現工件從倉庫（5，1）、（4，1）、（4，2）、（4，3）位置到數控成形機A、B、C 模具位置之間來回搬運操作一次，機器人總的搬運節拍6 次，數控成形機啟動沖壓節拍3 次，機器人換夾爪節拍1 次。單獨完成一個工件任務節拍流程。

為了提高加工效率，結合機器人搬運工件路徑、示教編程特點和任務節拍分析，從任務節拍優化和示教路徑優化兩方面入手，并通過搭建仿真模型進行驗證。

（1）任務節拍優化。通過任務節拍分析，將單件獨立加工改為多件連續加工，連續生產過程中需機器人對數控成形機A、B、C 三個位置同時上料，使得數控成形機一次沖壓完成兩個半成品和一個成品的加工，減少數控成形機的沖壓動作和機器人的等待時間，有效提高機器人和數控成形機的利用率，同時又可以隨機控制加工工件的數量。具體的節拍流程如圖3。

圖3 連續加工節拍優化流程

（2）示教路徑優化。機器人實現工件從倉庫到數控成型機的搬運操作，通常需要示教起始點、預抓取點、抓取點、預放置點和放置點至少為5 個點，由于預抓取點與抓取點、預放置點和放置點的運動路徑可設定為處于某一軸同方向上的直線運動，因此通過示教抓取點、放置點位置后，利用坐標軸的偏移可以非常便捷地確定預抓取點、預放置點位置，從而省去預抓取點和預放置的示教操作。同時倉庫的位置和數控成型機A、B、C 模具位置均比較集中，因此可以只設置一個總起始點和預放置點，這樣可以減少示教點位，統一倉庫到數控成型機的運動路徑可以減小示教誤差[7]。

針對機器人示教路徑進行優化時遵循以下兩點：第一，示教點必須選取能精確定位的卡盤位置，自動運行時能使機器人精準再現取放位姿。第二，示教點能夠安全有效的優化機器人運動軌跡，既能確保兩點之間距離最短，又便于通過示教點在坐標軸向上的相對偏移來確定必要的取放位置。

按照上述（1）、（2）優化規則搭建仿真模型如圖4 所示，仿真模型按節拍依次完成如下動作：第一步從料庫取坯料送進沖壓機A 處拉深工位，手爪退出，沖壓成形后機器人取拉深件并放回料庫可翻轉卡位；第二步從料庫取坯料送進A 處拉深工位，手爪返回料庫取拉深件送進B 處落料工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫可翻轉卡位1，再取沖孔落料件放回料庫可翻轉卡位2；第三步從料庫取坯料送進A 處拉深工位，手爪返回料庫翻轉卡位1 取拉深件送進B 處落料工位，手爪再次返回料庫取翻轉卡位2 沖孔落料件送進C 處彎曲工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫可翻轉卡位1，然后取沖孔落料件放回料庫可翻轉卡位2，最后通過手爪快換并取出彎曲件放回料庫成品工位。由此可以完成工件的連續加工，仿真過程驗證了路徑節拍規劃的可行性。

圖4 仿真驗證模型

2.3 沖壓上料程序設計與調試驗證

機器人沖壓上料程序采用主程序調用模式，沖壓子程序內嵌套相應的取料和快速換手抓子程序，由此進一步完善了程序的邏輯關系，減少了程序的復雜編輯輸入過程。

通過編程示教和實操調試結果表明，控制設計能夠實現對機器人運動路徑的準確示教定位，簡化程序的編程過程，減少機器人冗余的重復動作，提高了程序編程效率和機器人搬運效率。

3 結語

隨著傳統制造業向智能制造業的進一步轉型升級，以及實現產品的高精度、高效率加工的要求，工業機器人自動上、下料系統作為數控機床輔助部件越來越受到機床制造商和用戶的重視。基于工業機器人的精密模具制造控制設計在第三屆全國智能制造應用技術精密模具制造賽項中已得到驗證，通過任務節拍分析和路徑優化使得示教過程簡化，同時改進機器人程序設計結構，使得程序編寫簡短快捷，機器人能夠連續平穩的工作，有效的節約示教時間，極大的提高了工作效率。