基于發那科數控系統的四自由度自動上下料系統設計
2020-5-29 來源： 蘇州大學應用技術學院 作者：李東亞
摘要: 為提高生產效率實現無人自動化工廠，以運動控制開發系統、數控系統、加工中心機床主體和四自由度機械手自動送料機構為開發平臺，通過運動控制開發系統對四自由度機械手的搬運路徑規劃設計，協同數控系統及加工中心機床主體構成一個柔性制造單元，使該平臺具備自動上料、自動裝夾、自動加工、自動下料的功能，是傳統制造業的轉型升級的一個典型案例。
關鍵詞: 自動上下料; 運動控制開發系統; 搬運路徑
0 前言
隨著工業 4. 0 以及中國制造 2025 規劃的提出，制造業的轉型升級為數控裝備技術的發展起到了很大的推動作用，數控加工技術的應用已成為加工制造業的主流，在這樣的技術背景下，該平臺以發那科 0imate MD 數控系統 “VMCL850 型數控加工中心” 為應用對象，利用該平臺的運動控制開發系統、數控系統、四自由度機械手自動送料機構等設備的硬件和軟件資源，結合運動控制、先進制造的工程應用需求，通過對數控設備軟、硬件進行參數設置和機械手自動送料機構進行系統參數設置、工作路徑設置，使數控加工中心與機械手自動送料機構協同工作構成一個柔性制造單元，實現自動上料、自動裝夾、自動加工、自動下料的功能，使加工生產線實現無人自動化生產，以提高生產效率。
該系統主要應用在加工制造業，尤其在加工密集型產業的地區，面臨產業的轉型升級，隨著中國制造2025 規劃的提出對工廠無人化和降低工人勞動強度的要求，模塊化自動上下料柔性制造單元作為加工中心的基礎和輔助部件越來越受到機床制造商和用戶的重視，使整個加工制造業的產業化能力得到很好的提高; 該部件實際上是數控機床中一個典型點位控制機床的延伸和發展，對工件輸送的速度要求高和定位準確，該技術的研發，集通訊、氣動、傳感器檢測、機械機構、數控功能于一體，有機組合了機械手與數控機床的功能，降低了工人的勞動強度，工件的上下料及自動加工連接緊密，因而大大提高了工作效率，具有較好的推廣應用價值［1－7］。
1、上下料系統的組成及機械結構設計
上下料系統主要由數控系統、運動控制開發柜、加工中心、四軸機械手自動送料機構等輔助部件組成，其布局如圖 1 所示。
圖 1 上下料系統布局示意圖
( 1) 數控系統
主要由 VMCL850 型加工中心機床主體、發那科0i mate MD 數控系統、交流伺服系統、主軸驅動單元、控制信號接口單元、24 工位刀庫和電氣元件等組成，主要用于加工零件和數控系統參數設置。
( 2) 運動控制開發系統
包括工業觸摸屏、交流伺服系統、控制信號接口單元和電氣元件等，主要用于設置四軸機械手的參數和運動軌跡。
( 3) 機械手自動送料機構
由一臺平面關節機械手和兩套物料料位組成。平面關節機械手包括分別由伺服電機經減速機 ( 減速比 1 ∶ 100) 驅動在水平方向旋轉的 1 個大手臂、1 個小手臂，由氣缸驅動手腕上下運動的 1 個移動關節和由旋轉氣缸驅動的 1 個手腕關節及兩套氣動手爪等;物料架各設有 6 個物料位，由直流電機驅動，料位上安裝活動托盤形，以便于適應不同形狀的零件，同時料位下方安裝接觸式傳感器，用于判斷是否放置物料，機械手自動送料機構的結構示意圖見圖 2。機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夾具內，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內。
圖 2 機械手送料機構機械結構圖
( 4) 輔助部件
上下料系統的輔助部件主要有夾具、氣泵、加工刀具及其連接線等組成，夾具配有帶磁環傳感器的水平氣缸，可以方便地調節氣缸的行程，同時帶有直線導軌滑塊導向機構，設計行程為 20 ～ 300 mm，該氣缸的夾緊接觸零件部位采用可拆卸式 V 型結構，主要用于夾緊圓柱形零件，同時還可以更換為平口結構用于夾緊方形零件，采用平口鉗的結構形式，可以實現快遞定位和實現工件夾緊與松開功能; 同時配有節流閥用于控制氣缸夾緊力的大小，以適應不同材質的工件［9］。
2、 上下料系統的控制系統設計
2. 1 系統功能
該系統主要由運動控制開發系統、數控系統、四軸搬運機械手和加工中心四部分組成一個柔性制造單元，自動完成零件的加工與搬運; 數控系統由發那科0i mate MD 數控系統和電氣裝置組成，通過編制的程序控制加工中心完成零件的加工，同時還接收和發出對運動控制開發系統的開始加工和完成信號; 四軸搬運機械手主要用于接收運動控制開發系統的搬運信號，完成零件的自動上下料功能［9－10］，幾者之間的關系功能和邏輯控制關系如圖 3、4 所示。
圖 3 上下料系統功能圖
圖 4 上下料系統邏輯控制圖
2. 2 四軸搬運機械手的運動軌跡設置
根據零件的形狀及其加工工藝要求，通過運動控制開發系統中的 MCGSTPC 觸摸屏對機械手自動送料機構的運行軌跡進行設置。
( 1) 運動軌跡規劃，根據機床、料倉、機械手大小及其各自的干涉位置，先對機械手自動送料機構運動路線進行規劃，如圖 5 所示。
圖 5 機械手運行軌跡示意圖
( 2) 加工路徑的設置
根據機械手運動路線的規劃，利用觸摸屏對機械手自動上下料機構的路徑進行編輯，根據機械手的工作流程 ( 圖 6) ，可以將機械手運行步數設置為 0－10，見表 1 所示。
圖 6 機械手的工作流程圖
表 1 機械手運行步數說明
3、 實例
根據該平臺的功能要求，選擇一個常用的圓柱形零件進行弧面加工測試，采用 CAXA 軟件進行建模設置刀具生成加工程序，通過四自由度機械手完成自動上下料的功能，其機械手在零件加工中的應用工藝流程圖如圖 7 所示。
圖 7 零件工藝流程圖
4 、結束語
通過對該平臺的系統進行測試，可以實現自動上下料的功能，該系統主要在以下幾個方面可以對系統在實際中的應用起到推廣作用。
( 1) 氣動夾具的夾緊行程通過電磁傳感器進行設置，夾緊力通過節流閥進行流量調節和壓力控制，同時夾緊端采用活動塊構成，以便適應夾緊不同大小、形狀、材質的零件，以適應加工的需求; 同時氣動夾 具具有動作準確、快速，很 好 地 提 高 了 加 工效率。
( 2) 數控電氣控制系統的開放性，用戶對刀具快速移動速度以及加工時的空行程速度可以方便地設置，可以提高零件的加工效率; 結合三維軟件建立零件模型、設置刀具參數、切削參數、刀路軌跡參數完成加工工藝的設計，通過局域網與數控系統進行聯機完成零件的加工，簡化了工作人員的編程，降低了對工作人員技能的要求。
( 3) 基于機械手運動控制開發系統的開放性，通過觸摸屏使客戶可以根據自己的功能需求設置機械手的運行軌跡，合理調整機械手、加工中心和料倉的相對位置并進行路徑優化，減少控制點的位置，提高工件的搬運效率。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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