數控車床上下料調控系統的研究
2024-4-26 來源： 江蘇省海安中等專業學校 作者：徐曉燕
摘要：針對機床采用人工上下料所存在的勞動強度大、生產效率低的問題，提出了一種以機械手為核心的機床自動上下料系統。對該系統的結構、工作原理及控制流程進行了詳細的分析。根據實際應用表明，該數控車床自動上下料系統能夠實現數控機床的自動上下料，減少 2 名操作員工，為落后機床的自動化改造提供了指導，具有極大的應用推廣價值。
關鍵詞：數控車床 上下料 自動控制
引言
隨著國內“工業 4.0”進程的不斷發展，對制造業的智能化和自動化要求不斷提升，目前國內多數的車床在上下料方面均采用的是人工上下料，不僅勞動強度大、效率低，而且人工在取放料的過程中存在著較大的危險性，嚴重限制了數控機床生產效率的進一步提升。
為了提高數控機床生產的效率和安全性，同時控制改造成本，本文提出了在數控機床旁增加一個機械手裝置，利用 PLC 控制系統控制機床和機械手聯動的改造方案。該方案只需增加一個機械手，同時對數控機床的控制系統進行升級，實現了機床和機械手的聯動運行控制。根據實際應用表明，該機床上下料控制系統能夠實現物料的自動取放，將機床生產效率提升了 2.6 倍，消除了人工取放定位精度差、安全性不足的隱患，具有極大的推廣應用價值。
1、自動上下料系統構成
為了滿足自動上下料系統的控制精確性和可靠性需求，該系統包括了硬件和軟件兩個部分，其自動上下料部分的硬件布局結構如圖 1 所示。
圖 1 自動上下料系統結構示意圖
該控制系統中的硬件結構包括控制器、伺服系統、交流電機、各類傳感器等，而其軟件系統則主要是用于控制數控機床和機械手的聯動運行，其控制程序設置在示教器和遠程控制中心內，同時滿足就地控制和遠程控制的需求。
1.1 自動上下料控制系統
對于數控機床的自動上下料控制來說，首先要保證上下料定位的精確性，其次要能保證自動上下料的效率滿足數控機床的生產節拍需求。因此該自動上下料控制系統必須能夠保證控制精確性、快速性的需求。在對多種運動機器人控制器的應用情況進行分析后，最終選用了一款滑軌機器人控制器，其具有體積小、容量大的特點，其數據通信系統采用了工業以太網總線，能夠滿足瞬時大容量的數據通信需求，而且采用了雙屏蔽電纜，能夠有效抵抗外界干擾，確保信息傳輸的精確性。在設定控制邏輯時，首先需要根據數控機床、滑軌機器人的布局情況合理選擇上下料的路線，并根據上下料路線設置上下料控制程序，使滑軌機器人的運行保持在一定的范圍內，保證數控機床在自動上下料過程中的安全性。
為了滿足自動上下料控制系統的拓展需求，在控制器選擇時，選擇了具有 21 路輸入接口和 24 路輸出接口的多接口控制器，各個接口均采用了標準化端口，能夠快速的進行模塊的添加，從而能夠滿足不同情況下的拓展需求。
該數控機床控制系統構成如圖 2 所示。
圖 2 數控機床控制系統框架
1.2 伺服系統
滑軌機器人的機械手在進行零件取放的過程中，需要運行平穩、取放精度高，因此要求取件的伺服控制系統具有極高的控制精度和控制平穩性，不能存在丟步現象。傳統脈沖式伺服驅動系統雖然結構簡單、造價較低，但其控制穩定性較差，因此在經過對比后選擇了總線式伺服驅動系統，該伺服系統可以通過標準接口和控制模塊相連接，保證了數據傳輸的精確性和高速傳輸需求。總線式伺服驅動系統的整體結構如圖 3 所示。
圖 3 伺服驅動系統結構示意圖
1.3 電機選擇
目前各驅動控制系統在選型時一般優先選擇步進電機，但步進電機在工作中容易出現丟步現象，將導致取料系統的定位偏差，影響數控機床的運行安全性。因此在綜合對比后選擇了交流伺服電機作為該上下料控制系統的驅動裝置，提高上下料系統在工作中的精確性和運行平穩性。
2、上下料控制原理
該驅動系統在工作中直接對滑軌機器人進行控制，通過在 X 軸上的運動帶動機械手運行，然后利用Z 軸的移動來實現機械手對物料的抓取或者釋放。
為了滿足滑軌機器人和數控機床聯動運行的控制需求，需將兩者的控制和通信系統進行改造，設置標準化的 I/O 接口，并聯所需的信號與控制系統實現 I/O 數據通信。在進行上下料運行控制時，控制中心首先獲取數控機床的運行狀態信息，對其下一階段的運行情況進行判斷，然后提前發出控制信息給滑軌機器人，使滑軌機器人提前準備好上料或者下料，從而實現上下料動作和機床加工情況的無縫銜接，提高機床在工作時的運行效率。該自動上下料控制邏輯如圖 4 所示。
圖 4 數控機床自動上下料控制邏輯示意圖
3、應用現狀分析
以 CKD6180D 數控機床為例[9]，對其進行自動化上下料系統改造，然后對其應用前后的狀態進行對比結果如表 1 所示。
表 1 不同上下料方式對比
由實際驗證結果可知，采用新的自動上下料系統后，每個工件的平均上下料時間降低了 57.1%，由于實現了自動化生產，因此能夠顯著延長數控機床的生產時間，其每天的產能比采用人工生產提升了 2.6倍，因定位不精確而導致的不合格品的數量則降低了83.3%。由于采用了精準定位模式，因此每個零件的平均定位精度比優化前提升了 95%，而由于定位不精確而導致的工件異常數量則比優化前降低了 99.5%。因此，通過實際應用分析，新的數控機床自動上下料系統，不僅能夠顯著提升數控機床的工作效率，而且能夠有效降低其在工作過程中的異常率，極大地提升了工廠的生產經濟性，因此具有極大的應用推廣價值。
4、結論
1）機床上下料控制系統的硬件結構包括了控制器、伺服系統、交流電機、各類傳感器等，能夠顯著提升其控制可靠性。
2）總線式伺服驅動系統可以通過標準接口和控制模塊相連接，從而保證了數據傳輸的精確性和高速傳輸的可靠性。
3）該機床上下料控制系統能夠實現物料的自動取放，將機床生產效率提升了 2.6 倍，將因定位不精確而導致的工件異常數量降低 99.5%。
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