工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控車床教學(xué)模式探索與研究
2019-5-29 來源：華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 作者：段海峰， 韓 偉， 劉建光， 龍勇坤
摘要:根據(jù)GSK機(jī)器人及980T數(shù)控車床加工的特點(diǎn)，規(guī)劃建設(shè)了由GSK機(jī)器人、物料架和980T數(shù)控車床組成的自動供料、裝夾、加工的柔性制造系統(tǒng);探索建立指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控車床編程加工中完成自動搬運(yùn)、裝卸、加工的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)模式;使學(xué)生學(xué)習(xí)GSK機(jī)器人與數(shù)控車床聯(lián)調(diào)方法，規(guī)劃機(jī)器人上、下料運(yùn)行軌跡，掌握運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)提高數(shù)控車床自動加工效率的方法，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中上下料的自動化和無人化。通過該實(shí)訓(xùn)模式的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對數(shù)控加工智能技術(shù)有更深入的理解，實(shí)現(xiàn)對本科生數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，達(dá)到提高學(xué)生更深入理解工業(yè)4．0智能數(shù)控的教學(xué)的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人;數(shù)控機(jī)床;柔性制造;自動搬運(yùn);實(shí)訓(xùn)模式
段海峰，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向:機(jī)械工程
引言
隨著機(jī)器人的發(fā)展，工業(yè)4．0的推進(jìn)，作為擴(kuò)展到數(shù)控加工智能技術(shù)自動化操作核心的應(yīng)用型人才卻極度缺乏，而作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的大學(xué)卻沒能跟上步伐，而本研究項(xiàng)目就是希望通過GSK機(jī)器人數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)來嘗試對這方面應(yīng)用型人才進(jìn)行培養(yǎng)，嘗試建立新的實(shí)訓(xùn)模式，嘗試完善新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，拓展學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力范疇。
1、數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)
圖1所示為由GSK機(jī)器人、物料架和980T數(shù)控車床組成的柔性制造系統(tǒng)，它由機(jī)器人控制柜、機(jī)器人、改裝后的氣動數(shù)控車床和用來放料的物料架4部分組成。通過一系列的改裝、布置、編程，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床編程加工中的自動搬運(yùn)，自動裝卸和自動加工。
圖1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局圖
2、數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)
2．1 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)
根據(jù)圖1數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)布局圖，要建設(shè)好數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)，首先需要設(shè)計(jì)好整套系統(tǒng)的工作流程(見圖2)。
圖2數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的工作流程圖
整個工作流程分為5個步驟。
(1)前期準(zhǔn)備工作。在開始整個系統(tǒng)前先要做好前期準(zhǔn)備工作，包括數(shù)控車床的通電、開機(jī)，典型加工程序的輸入，毛坯原材料的放置準(zhǔn)備等。
(2)數(shù)控車床自動開門，氣動卡盤自動松開。當(dāng)所有前期準(zhǔn)備工作完成后，就可以開始整套聯(lián)動系統(tǒng)的運(yùn)行，即氣動改造后的數(shù)控車床先自動開門，松開氣動三角卡盤，這時機(jī)器人才可以實(shí)現(xiàn)毛坯原材料從物料架到數(shù)控車床三角卡盤位置的搬運(yùn)。為下一步的固緊加工做準(zhǔn)備。
(3)氣動卡盤自動固緊，數(shù)控車床自動關(guān)門。通過編輯機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人將毛坯工件搬運(yùn)到數(shù)控車床的氣動三角卡盤位置，穩(wěn)定后數(shù)控車床的三角卡盤便會自動固緊，然后自動關(guān)上數(shù)控車床的防護(hù)門，隨即便可以按照之前輸入的程序開始加工。
(4)數(shù)控車床自動開門，氣動卡盤。當(dāng)數(shù)控車床按照既定程序完成加工后，防護(hù)門自動打開，氣動卡盤自動松開，機(jī)器人緊接著就可以像裝夾時一樣按照既定軌跡和動作拆卸掉料頭(完成的零件已經(jīng)自動掉入數(shù)控車床的加工位)。
(5)數(shù)控車床恢復(fù)初始狀態(tài)。加工完成，機(jī)器人卸掉料頭，數(shù)控車床便可以恢復(fù)初始狀態(tài)，即自動固緊氣動卡盤，自動關(guān)上防護(hù)門，不過需要強(qiáng)調(diào)的是，如果批量加工零件時，物料架上可以有序放入多件毛坯工件，當(dāng)一個零件加工完成后可以回到第2步重新開始，實(shí)現(xiàn)批量連續(xù)加工。
2．2 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控車床氣動改造設(shè)計(jì)
圖3為應(yīng)用于機(jī)械手的數(shù)控車床氣動改造圖，其是為了適應(yīng)現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)自動化進(jìn)程而進(jìn)行的改造。其中氣動拉桿5為專門加的氣動桿，接氣源，作為氣動防護(hù)門2自動滑動的動力。當(dāng)按動控制面板4上另加的按鈕開關(guān)防護(hù)門時，防護(hù)門可以自動滑動，也可以通過編程來實(shí)現(xiàn)。其中氣動三角卡盤3也較平常的三角卡盤接了氣動裝置，當(dāng)按動控制面板4上另加的按鈕松緊三角卡盤時，氣動三角卡盤3可以自動松緊，實(shí)現(xiàn)零件的自動裝卸，也可以通過編程來實(shí)現(xiàn)。
總的來講，數(shù)控車床進(jìn)行了氣動改造后，可以實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)門和自動松緊;配上機(jī)器人后，可以實(shí)現(xiàn)零件由裝夾到加工，由加工到加工完成，由加工完成到卸料的全自動化流程。
1－數(shù)控車床;2－氣動防護(hù)門;3－氣動三角卡盤;4－控制面板;5－氣動拉桿
圖3 應(yīng)用于機(jī)械手的數(shù)控車床氣動改造圖
2．3 典型零件規(guī)劃設(shè)計(jì)
以加工小葫蘆為例，如圖4所示為其尺寸圖及部分加工程序，由于這里主要講數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，且篇幅問題，小葫蘆的數(shù)控車床編程及加工過程這里就不再累述，只是以葫蘆為典型零件來進(jìn)行下一步建設(shè)，比如與之相對應(yīng)的機(jī)器人氣動手爪設(shè)計(jì)和物料架設(shè)計(jì)都與典型零件的尺寸相關(guān)。
2．4 根據(jù)典型零件所做的機(jī)器人氣動手爪設(shè)計(jì)
根據(jù)加工工件為Φ25的鋁棒，設(shè)計(jì)與制作了一個氣動手爪，可以通過氣動控制，實(shí)現(xiàn)鋁棒的自動抓取和拆卸，其裝配如圖5所示。
2．5 物料架設(shè)計(jì)
對于要加工的鋁棒，設(shè)置了一個放置等長棒料的物料架，如圖1中物料架所示。由于機(jī)器人的聯(lián)機(jī)抓取工件的位置固定，故抓取程序不需要改變;而加工零件的程序作為一個子程序，圖紙一改變只需要改變零件的子程序就可以了。具有非常好的適應(yīng)性，良好的柔性制造，可以取代人工操作，實(shí)現(xiàn)自動化機(jī)械制造。
圖4 典型零件葫蘆及其部分加工程序
1－氣缸;2－固定板;3－軸，4－聯(lián)接塊;5－板;6－銷;7－固定套;8－夾臂
圖5 氣動手爪裝配示意圖
2．6 實(shí)際效果圖
按照前面的設(shè)計(jì)和改造，完成了數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，其實(shí)際效果圖如圖6所示，經(jīng)驗(yàn)證，完全可以滿足實(shí)訓(xùn)要求。
圖6數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)際效果圖
3、數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的建立
3．1 實(shí)施方案設(shè)計(jì)
在數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)整套系統(tǒng)硬件的建設(shè)后，還嘗試進(jìn)行了數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)的具體實(shí)訓(xùn)，實(shí)施方案如下:
(1)實(shí)訓(xùn)目標(biāo)。通過該學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生對數(shù)控加工智能技術(shù)有更深入的理解，實(shí)現(xiàn)對本科生數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，達(dá)到提高學(xué)生更深入理解工業(yè)4．0智能數(shù)控的教學(xué)目標(biāo)。
(2)實(shí)訓(xùn)對象。本科大三機(jī)械專業(yè)學(xué)生。
(3)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。通過之前的規(guī)劃建設(shè)以及教學(xué)方案設(shè)定，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控車床編程加工中完成自動搬運(yùn)，自動裝卸，自動加工的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。
(4)實(shí)訓(xùn)方案。①根據(jù)設(shè)備承受能力，設(shè)定實(shí)訓(xùn)時一組學(xué)生為10人。②實(shí)訓(xùn)時間定為5天，具體的實(shí)訓(xùn)時間安排如表1所示。
表1數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)時間安排
3．2 機(jī)器人運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)
(1)本套系統(tǒng)里面學(xué)生需要完成任務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是機(jī)器人的運(yùn)行軌跡編程，我們可以通過編程控制機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手爪的運(yùn)動。而圖7所示為機(jī)器人的運(yùn)動軌跡流程設(shè)計(jì)，指出了機(jī)器人從上料到加工，從加工結(jié)束到丟棄料頭，再回到起點(diǎn)的全流程。
圖7 機(jī)器人運(yùn)行軌跡流程設(shè)計(jì)
(2)下面為學(xué)生所編輯的機(jī)器人運(yùn)行軌跡的部分程序，右邊為對程序的說明，但因篇幅問題，這里只選取其中一小部分。
3．3 數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的特色與創(chuàng)新點(diǎn)
本數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的建設(shè)是針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式的改進(jìn)，在試運(yùn)行期間也受到師生的一致好評，和傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式相比它有著不少的特色與創(chuàng)新點(diǎn):
(1)數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式引進(jìn)了柔性制造系統(tǒng)的概念，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的單一設(shè)備實(shí)訓(xùn)的模式，多臺設(shè)備的聯(lián)動，尤其是機(jī)器人的引進(jìn)，不但提高了學(xué)生對機(jī)械工藝的認(rèn)識，更是豐富了實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容，增加了學(xué)生動手的機(jī)會。
(2)數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生們學(xué)習(xí)了GSK機(jī)器人與數(shù)控車床的聯(lián)調(diào)方法，規(guī)劃機(jī)器人上、下料運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中上、下料的自動化和無人化;這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以為學(xué)生將來掌握運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)提高加工效率，掌握數(shù)控加工智能技術(shù)自動化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
(3)數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式提高了學(xué)生實(shí)訓(xùn)的興趣，增加了學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中創(chuàng)新的機(jī)會，也使學(xué)生在實(shí)踐中加強(qiáng)了對自動控制方面知識的了解，積累了一些自動化改造與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。
(4)數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式增加了學(xué)生對機(jī)器人的認(rèn)知和了解，柔性制造系統(tǒng)概念的確立，完善了新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，拓展了學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力范疇。
4、結(jié)語
數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式是對現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)模式的一種改革，由單一設(shè)備的實(shí)訓(xùn)模式改為多設(shè)備的聯(lián)動實(shí)訓(xùn)模式;GSK機(jī)器人的引入，數(shù)控車床的氣動化改造，零件加工過程中上下料的自動化和無人化，這些單元的實(shí)施，不但會提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)的興趣，也會為學(xué)生將來掌握運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)，掌握數(shù)控加工智能技術(shù)自動化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);數(shù)控車床柔性制造系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的建設(shè)和嘗試，希望會對完善新的本科數(shù)控專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位提供一項(xiàng)參考。
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