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技術(shù)前沿>基于發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)的四自由度自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)的四自由度自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2020-5-29 來(lái)源： 蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 作者：李東亞
摘要: 為提高生產(chǎn)效率實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化工廠，以運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、加工中心機(jī)床主體和四自由度機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)為開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)對(duì)四自由度機(jī)械手的搬運(yùn)路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)，協(xié)同數(shù)控系統(tǒng)及加工中心機(jī)床主體構(gòu)成一個(gè)柔性制造單元，使該平臺(tái)具備自動(dòng)上料、自動(dòng)裝夾、自動(dòng)加工、自動(dòng)下料的功能，是傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)的一個(gè)典型案例。
關(guān)鍵詞: 自動(dòng)上下料; 運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng); 搬運(yùn)路徑
0 前言
隨著工業(yè) 4. 0 以及中國(guó)制造 2025 規(guī)劃的提出，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)為數(shù)控裝備技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用已成為加工制造業(yè)的主流，在這樣的技術(shù)背景下，該平臺(tái)以發(fā)那科 0imate MD 數(shù)控系統(tǒng) “VMCL850 型數(shù)控加工中心” 為應(yīng)用對(duì)象，利用該平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、四自由度機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)等設(shè)備的硬件和軟件資源，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制、先進(jìn)制造的工程應(yīng)用需求，通過(guò)對(duì)數(shù)控設(shè)備軟、硬件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、工作路徑設(shè)置，使數(shù)控加工中心與機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)協(xié)同工作構(gòu)成一個(gè)柔性制造單元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料、自動(dòng)裝夾、自動(dòng)加工、自動(dòng)下料的功能，使加工生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)效率。
該系統(tǒng)主要應(yīng)用在加工制造業(yè)，尤其在加工密集型產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，面臨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，隨著中國(guó)制造2025 規(guī)劃的提出對(duì)工廠無(wú)人化和降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的要求，模塊化自動(dòng)上下料柔性制造單元作為加工中心的基礎(chǔ)和輔助部件越來(lái)越受到機(jī)床制造商和用戶的重視，使整個(gè)加工制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)化能力得到很好的提高; 該部件實(shí)際上是數(shù)控機(jī)床中一個(gè)典型點(diǎn)位控制機(jī)床的延伸和發(fā)展，對(duì)工件輸送的速度要求高和定位準(zhǔn)確，該技術(shù)的研發(fā)，集通訊、氣動(dòng)、傳感器檢測(cè)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、數(shù)控功能于一體，有機(jī)組合了機(jī)械手與數(shù)控機(jī)床的功能，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，工件的上下料及自動(dòng)加工連接緊密，因而大大提高了工作效率，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值［1－7］。
1、上下料系統(tǒng)的組成及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
上下料系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)柜、加工中心、四軸機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)等輔助部件組成，其布局如圖 1 所示。
圖 1 上下料系統(tǒng)布局示意圖
( 1) 數(shù)控系統(tǒng)
主要由 VMCL850 型加工中心機(jī)床主體、發(fā)那科0i mate MD 數(shù)控系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)單元、控制信號(hào)接口單元、24 工位刀庫(kù)和電氣元件等組成，主要用于加工零件和數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。
( 2) 運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)
包括工業(yè)觸摸屏、交流伺服系統(tǒng)、控制信號(hào)接口單元和電氣元件等，主要用于設(shè)置四軸機(jī)械手的參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡。
( 3) 機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)
由一臺(tái)平面關(guān)節(jié)機(jī)械手和兩套物料料位組成。平面關(guān)節(jié)機(jī)械手包括分別由伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī) ( 減速比 1 ∶ 100) 驅(qū)動(dòng)在水平方向旋轉(zhuǎn)的 1 個(gè)大手臂、1 個(gè)小手臂，由氣缸驅(qū)動(dòng)手腕上下運(yùn)動(dòng)的 1 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)的 1 個(gè)手腕關(guān)節(jié)及兩套氣動(dòng)手爪等;物料架各設(shè)有 6 個(gè)物料位，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，料位上安裝活動(dòng)托盤形，以便于適應(yīng)不同形狀的零件，同時(shí)料位下方安裝接觸式傳感器，用于判斷是否放置物料，機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 2。機(jī)械手將半成品物料位抓取半成品工件放置到加工中心上的氣動(dòng)夾具內(nèi)，等待加工完成后，將加工后的成品工件抓取放置在成品料倉(cāng)內(nèi)。
圖 2 機(jī)械手送料機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
( 4) 輔助部件
上下料系統(tǒng)的輔助部件主要有夾具、氣泵、加工刀具及其連接線等組成，夾具配有帶磁環(huán)傳感器的水平氣缸，可以方便地調(diào)節(jié)氣缸的行程，同時(shí)帶有直線導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)行程為 20 ～ 300 mm，該氣缸的夾緊接觸零件部位采用可拆卸式 V 型結(jié)構(gòu)，主要用于夾緊圓柱形零件，同時(shí)還可以更換為平口結(jié)構(gòu)用于夾緊方形零件，采用平口鉗的結(jié)構(gòu)形式，可以實(shí)現(xiàn)快遞定位和實(shí)現(xiàn)工件夾緊與松開功能; 同時(shí)配有節(jié)流閥用于控制氣缸夾緊力的大小，以適應(yīng)不同材質(zhì)的工件［9］。
2、 上下料系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 1 系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、四軸搬運(yùn)機(jī)械手和加工中心四部分組成一個(gè)柔性制造單元，自動(dòng)完成零件的加工與搬運(yùn); 數(shù)控系統(tǒng)由發(fā)那科0i mate MD 數(shù)控系統(tǒng)和電氣裝置組成，通過(guò)編制的程序控制加工中心完成零件的加工，同時(shí)還接收和發(fā)出對(duì)運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)的開始加工和完成信號(hào); 四軸搬運(yùn)機(jī)械手主要用于接收運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)的搬運(yùn)信號(hào)，完成零件的自動(dòng)上下料功能［9－10］，幾者之間的關(guān)系功能和邏輯控制關(guān)系如圖 3、4 所示。
圖 3 上下料系統(tǒng)功能圖
圖 4 上下料系統(tǒng)邏輯控制圖
2. 2 四軸搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置
根據(jù)零件的形狀及其加工工藝要求，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)中的 MCGSTPC 觸摸屏對(duì)機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行設(shè)置。
( 1) 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，根據(jù)機(jī)床、料倉(cāng)、機(jī)械手大小及其各自的干涉位置，先對(duì)機(jī)械手自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行規(guī)劃，如圖 5 所示。
圖 5 機(jī)械手運(yùn)行軌跡示意圖
( 2) 加工路徑的設(shè)置
根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路線的規(guī)劃，利用觸摸屏對(duì)機(jī)械手自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的路徑進(jìn)行編輯，根據(jù)機(jī)械手的工作流程 ( 圖 6) ，可以將機(jī)械手運(yùn)行步數(shù)設(shè)置為 0－10，見表 1 所示。
圖 6 機(jī)械手的工作流程圖
表 1 機(jī)械手運(yùn)行步數(shù)說(shuō)明
3、 實(shí)例
根據(jù)該平臺(tái)的功能要求，選擇一個(gè)常用的圓柱形零件進(jìn)行弧面加工測(cè)試，采用 CAXA 軟件進(jìn)行建模設(shè)置刀具生成加工程序，通過(guò)四自由度機(jī)械手完成自動(dòng)上下料的功能，其機(jī)械手在零件加工中的應(yīng)用工藝流程圖如圖 7 所示。
圖 7 零件工藝流程圖
4 、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)該平臺(tái)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料的功能，該系統(tǒng)主要在以下幾個(gè)方面可以對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用起到推廣作用。
( 1) 氣動(dòng)夾具的夾緊行程通過(guò)電磁傳感器進(jìn)行設(shè)置，夾緊力通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和壓力控制，同時(shí)夾緊端采用活動(dòng)塊構(gòu)成，以便適應(yīng)夾緊不同大小、形狀、材質(zhì)的零件，以適應(yīng)加工的需求; 同時(shí)氣動(dòng)夾 具具有動(dòng)作準(zhǔn)確、快速，很 好 地 提 高 了 加 工效率。
( 2) 數(shù)控電氣控制系統(tǒng)的開放性，用戶對(duì)刀具快速移動(dòng)速度以及加工時(shí)的空行程速度可以方便地設(shè)置，可以提高零件的加工效率; 結(jié)合三維軟件建立零件模型、設(shè)置刀具參數(shù)、切削參數(shù)、刀路軌跡參數(shù)完成加工工藝的設(shè)計(jì)，通過(guò)局域網(wǎng)與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)完成零件的加工，簡(jiǎn)化了工作人員的編程，降低了對(duì)工作人員技能的要求。
( 3) 基于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)的開放性，通過(guò)觸摸屏使客戶可以根據(jù)自己的功能需求設(shè)置機(jī)械手的運(yùn)行軌跡，合理調(diào)整機(jī)械手、加工中心和料倉(cāng)的相對(duì)位置并進(jìn)行路徑優(yōu)化，減少控制點(diǎn)的位置，提高工件的搬運(yùn)效率。
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