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      機床工業機器人集成應用及選型

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-19 13:33:40    瀏覽次數:13    評論:0
      導讀

      工業機器人是一種多功能的機器,具體是指面向工業領域的機器裝置,如機械手等,它能夠憑借自身的動力和控制能力,實現多種不同的功能,不但可以按照操作人員的指揮完成一些基本動作,而且還能根據預先編制好的程序運行,人工智能技術的融入,使現代工業機器人具備了智能化的特點。工業機器人與機床的集成應用,能夠大幅度提

      工業機器人是一種多功能的機器,具體是指面向工業領域的機器裝置,如機械手等,它能夠憑借自身的動力和控制能力,實現多種不同的功能,不但可以按照操作人員的指揮完成一些基本動作,而且還能根據預先編制好的程序運行,人工智能技術的融入,使現代工業機器人具備了智能化的特點。工業機器人與機床的集成應用,能夠大幅度提高生產效率。借此,下面就工業機器人與機床集成應用展開分析研究。

      1 工業機器人的特點及關鍵技術

      1.1 工業機器人的特點

      20世紀60年代初期,美國推出了一批工業機器人,它們的控制方式與數據機床非常相似,這些工業機器人的外形則是以類似人的手和臂組成。隨著研究的不斷深入,視覺傳感器技術被融入到工業機器人設計當中,由此出現了可自動進行識別和定位的工業機器人系統。工業機器人之所在工業生產中獲得廣泛應用,與其自身所具備的諸多特點有著密不可分為的關聯。工業機器人的特點體現在如下幾個方面:

      1.1.1 可編程

      工業機器人能夠按照作業環境的變化需要進行再編程,這一特點使其在多品種柔性制造中得到越來越廣泛的應用,并漸漸成為很多柔性制造系統中不可或缺的關鍵組成部分之一。

      1.1.2 通用性

      除為了滿足一些特殊的工業生產需要而設計的專用機器人之外,絕大多數工業機器人在執行作業任務時,均具有良好的通用性,通過對手部末端的操作器進行更換,就能夠完成不同的作業任務,這一特點為工業機器人在機床和流水線作業中的應用提供了有利條件。

      1.1.3 擬人化

      工業機器人的外形大多都是模仿人類的手、臂等部分進行設計的,由此使得工業機器人具有了擬人化的特點,通過相關的控制程序,可使工業機器人代替工人完成各種危險的生產任務,降低了工業生產中安全事故的發生。同時,人工智能技術的融入,使工業機器人具有了適應周圍環境的能力。

      1.2 工業機器人的關鍵技術

      常規的工業機器人是由本體、驅動和控制系統三個部分組合而成,其中本體是執行機構,驅動系統可以為機器人的運行提供動力,控制系統是機器人的“大腦”,決定了機器人的功能和性能。工業機器人的關鍵技術包括以下幾個方面:

      1.2.1 開放性體系結構

      工業機器人采用的是分布式CPU結構體系,具體分為以下幾個部分:RC(機器人控制器)、MC(運動控制器)、I/O控制板、傳感器、可編程示教盒等。RC與示教盒之間借助CAN總線實現數據通信。同時,RC的主計算機能夠實現如下功能:機器人運動規劃、主控邏輯、傳感器處理、數字I/O等,而示教盒則可對相關的信息進行實時顯示,并完成按鍵輸入。

      1.2.2 層次化控制軟件

      工業機器人的軟件建立在Linux之上,采用的是當前較為流行的分層次和模塊化設計思路??刂栖浖譃閼脤?、核心層及硬件驅動層,三個層次可以滿足不同的功能需求,每個層次由若干個的功能模塊組成。

      1.2.3 故障診斷與維護

      借助各種狀態信息和異常數據,可對機器人故障進行診斷,并完成相應的維護,這是確保工業機器人安全、穩定、可靠運行的關鍵技術之一。

      1.2.4 網絡化技術

      工業機器人的應用逐步向生產線方向發展,由此使得聯網變得愈發重要。在機器人的控制系統上有串口、CAN現場總線和工業以太網等功能,可實現機器人之間、機器人與上位PC機之間的數據通訊,為生產線監控、管理提供了極大的便利條件。

      2 工業機器人與機床集成應用

      近年來,我國的工業產業獲得迅猛發展,工業生產規模逐步擴大,為提高生產效率,降低工人的勞動強度,很多工業企業紛紛引入工業機器人,由此使得我國成為目前全球最大的工業機器人市場。大量的工業機器人與機床進行集成應用,將是未來一段時期,工業領域與科學技術發展的必然趨勢?,F階段,在工業領域中,工業機器人與機床集成較為常見的應用有以下幾個方面:

      2.1 工業機器人與折彎機集成

      工業機器人與折彎機的集成應用方式有以下兩種:一是以折彎機的機床主體作為核心部分,工業機器人上配有真空吸盤、上料架、定位臺、下料臺、翻轉架折彎單元等;二是工業機器人與轉臺沖床集成,在工業機器人上配有行走軸、定位臺、板料傳輸線、吸盤式抓手等。國內某機器人工程公司,利用自己的機器人控制系統與機床數字化控制系統等專業技術,實現了二者的無縫集成,并開發出了折彎軟件程序,該軟件能夠對折彎機床作業過程中工業機器人的托料進行閉環控制,同時,可在不同的折彎速度下,實現機器人的自動匹配跟蹤。此外,折彎軟件程序的開發還大幅度縮短了折彎示教的周期,從而進一步拓寬了應用空間。

      2.2 工業機器人與桁架式機床集成

      在提升工業加工速度和精度的背景下,推動了工業機器人與桁架式機床的集成,桁架機器人隨之出現,并在工業生產中得到越來越廣泛的應用。桁架機器人又被稱之為大型直角坐標機器人,這是一種具備自動控制、可重復編程、多自由度、多用途的操作機。桁架機器人以直角坐標系為數學模型,以伺服和步進電機作為驅動系統,以機械臂作為執行機構,以常規皮帶、齒輪鏈條等作為傳動方式,構成的工業機器人集成系統。桁架式機床與工業機器人的集成,使桁架機器人具有了如下特點:控制自動化、運行程序化、功能多、靈活性強、可靠性高、速度快、精度高、可進行重復編程、適用于各種惡劣的作業環境。如某公司自主研發的桁架機器人,主體結構采用整體開模鑄造技術,橫梁為全鋼結構,重載滾輪導軌,齒輪齒條傳動,負載重量超過100kg的機器人,可滿足重載工業生產的需要。又如,國內某公司將桁架式機床的機械手與數控機床進行有機結合,開發出一款桁架機器人,其能夠完成對待加工工件的自動抓取、上下料、位移翻轉、轉序加工等操作,該機器人在工業生產中的應用,不但可以大幅度降低人力成本,而且還能顯著提高生產效率,具有良好的推廣使用價值。

      2.3 工業機器人與鍛壓機集成

      鍛壓機是熱模鍛生產線上的關鍵設備,一條常規的熱模鍛生產線由兩臺鍛壓機組成,其中一臺負責對待加工工件的切邊,另外一臺負責完成工件的沖壓成型。熱模鍛機器人的集成應用,需要配置兩臺工業機器人,一臺從沖壓成型工位處的鍛壓機進行取料,移動到另一臺鍛壓機工位進行切邊,另一臺機器人將中頻熱處理后的物料(溫度較高)移送到沖壓成型鍛壓機處。為防止高溫工件對模具的粘附問題,機器人每次完成沖壓加工后,會利用石墨對模具進行潤滑處理。由于熱鍛模加工需要在高溫、高濕的環境中進行,加之石墨本身的特殊性,所以在生產過程中,必須對機器人進行有效的保養和維護,增強其抗熱和抗輻射能力,降低故障發生幾率。

      2.4 工業機器人與激光切割機集成

      近年來,激光切割在機械加工制造領域中獲得越來越廣發的應用,借助激光切割機不但能夠使產品的質量和勞動生產率得到大幅度提升,而且還能減少原材料的消耗,有助于加工成本的降低?,F階段,隨著工業機器人各方面性能的提升,如定位精度等,為其與激光切割技術集成提供了可能,如三維激光切割機,它的核心是工業機器人,配以專用的高精度激光頭,可以確保穩定的激光輸出功率,能夠對鈑金、不銹鋼等厚度不同的材料進行精確地切割加工,同時液晶顯示器和脫機數控系統的加入,大幅度增強了機床的操作便捷性。目前,三維激光切割機已在諸多領域中得到廣泛使用,如汽車輪船制造、電梯制造、金屬外加工等等。又如,在中國國際機床工具展覽會上出現的一款激光切割系統,它是工業機器人與激光發生器的有機融合,激光束引導裝置被集成在機器人的機械手臂上,在機械手的精確操控下,激光束可在待加工工件上進行自由移動,從而達到切削的效果。

      3 工業機器人與磨床的集成設計開發

      3.1 需求分析

      通過調查發現,我國的數控磨床大多都是人工的方式進行操作,通常情況下,一個工人需要在同一時間段內完成多臺機床的操作與管理,勞動強度較高。由于磨削加工的時間比較短,工人很難跟上生產節奏,而且機床發出的噪聲分貝比較大,對工人的身體健康會造成一定影響。某機械加工制造企業以零部件生產為主,訂單多、批量大,單個工件的利潤比較低,很多工序都是以人工的方式完成。為提高企業生產能效,降低工人的勞動強度,針對現有磨削工藝的不足,引入工業機器人與磨床進行集成,借此來提升機床的自動化和智能化水平。工業機器人不會受到作業環境中的噪聲影響,可以連續24h不間斷地工作,可靠性高,能確保加工工件的整體質量。同時,工業機器人還具備可編程功能,可滿足瞬息萬變的市場需要。據此,設計開發工業機器人磨削系統,下面對具體的設計過程進行分析。

      3.2 總體設計思路

      根據該企業的生產需要,用兩臺磨床對工件進行磨削加工,因現有的工藝流程中,磨削加工時間較短,從而使得工人的勞動強度較高。本文設計的系統中,一臺磨床為高速端面外圓磨,可滿足中小型零部件的磨削加工需要;另一臺磨床普通端面外圓磨,內置PLC,采用交流伺服電機,借助滾珠絲杠驅動工業臺移動,頭架具有無級調速功能,尾架具有液壓伸縮功能,自動量儀的加入,使該磨床能夠實現閉環自動磨削循環。由于本系統中的磨床全都不具備自動上下料的功能,因此需要增加機械手來完成待加工零部件的自動上下料,據此,決定采用工業機器人與機床和料機集成,構建一個柔性化的加工制造單元,該方案最為突出的特點是容易實現換產,簡單方便、效率較高。具體的設計思路如下:將兩臺磨床以面對面的方式進行擺設,工業機器人設置在中間位置處負責完成上下料,設計專用料機完成毛坯料及成品的運送。

      3.3 工業機器人選型

      在對本系統進行設計開發的過程中,工業機器人的選型是較為重要的環節之一,所選的機器人除了要具備穩定可靠的性能之外,其額定負載及可重復精度等還應當與生產工藝要求相符。由于該企業加工的零部件品種較多,所以必須考慮換產要求,綜合以上幾點,通過比選之后,決定采用史陶比爾公司最新推出的TX2-90型工業機器人,這是一款高速、精準的六軸工業機器人,封閉式結構,具備良好的適配性和柔性以及動態穩定性,精確度高、靈活性強,減少了維護工作量,垂直的電纜出口,安全性較高的數字編碼器,機器人前臂上配有I/O和以太網連接,便于實現系統集成。該機器人的額定負載為7.0kg,最大負載為20kg,工作半徑為1000mm,重復定位精度為±0.03mm,防護等級為IP65,多種安裝方式,如壁掛式、置頂式和置地式,CS9系列控制器;良好的人機交互界面,易于編程,能夠滿足實際生產需要。

      3.4 系統主要部件設計

      3.4.1 料機

      本文設計的系統中,料機的主要作用是運送毛坯料和加工好的成品,精確的定位是料機應具備的基本功能,結合實際生產情況,對料機進行設計,整個料機由以下三個部分組成:位于工業機器人側的升降機構和人工側的升降機構以及輸送機構。工件放置在料盒內,料盒置于工裝板上,工裝板跟隨傳料帶在料機上運動。為使送料的及時性和準確性得到保證,在料機上加裝12個電磁開關、6個接近開關。料機可完成自動送料,當整盒毛坯料加工完畢之后,工業機器人會向PLC發出信號,料盒由位于上層的傳送帶運至機器人側的提升機構,隨后機構下降,再由下層的傳送帶將料盒送出,借助上層的鏈條將料盒送至待加工位置等待自動送料。

      3.4.2 末端執行器

      本文設計開發的系統中,工業機器人的機械部分由以下部件組成:末端執行器(機械手)、手臂、手腕、基座。末端執行器可對相關的工具進行抓取,如噴槍、扳手等,它裝在手臂的前端,可以模仿人手的基本動作。本系統加工的零部件以軸類零件為主。因此,機械手只需要二指或三指平動抓手即可完成對工件的抓取,為保證工件抓取的牢固性,選用三指機械手,對料盒中的毛坯料進行轉移。同時,為滿足不同規格的零部件加工要求,在設計末端執行器時,對連接部分進行了特殊處理,機械、氣動和電氣三個部分均可斷開和更換。手爪可以完成夾緊和松開兩種狀態的切換,通過機械手進行上下料,能夠縮短磨床的等待時間,大幅度提升了機床的利用效率。

      3.4.3 磨削控制系統

      選擇PLC作為磨削控制系統的主控制器,以此來對整個磨削工藝流程進行控制。其中料機由PLC直接控制,PLC選用西門子公司的S7系列PLC,這是一款緊湊型的控制器,以循環掃描的方式進行工作,PLC與人機交互面板觸屏相連接,操作人員可通過觸屏對系統的運行狀態進行觀察,并對系統啟停進行控制。PLC與機床采用I/O接口進行數據通信,借助Modbus/TCP協議與工業機器人進行通信,工業機器人通過以太網交換機與PLC進行連接。為便于操控,對人機交互界面進行優化設計,整個界面簡潔明了,系統操作人員可直觀了解系統的運行狀態,利用動態模擬,可對現場的實際情況進行還原。

      3.5 工業機器人的控制與通信

      本文設計的機器人控制系統具有如下功能:記憶、示教、設置坐標、人機和傳感器接口、故障診斷及安全保護等等??刂破鬟x用的是CS9系列控制器,該控制器支持以太網、I/O等通訊方式,結構緊湊,可在任意位置安裝,防護等級為IP20,便于連接,可靠性較高。由于工業機器人與磨床無法進行直接通信,因此,需要借助PLC對二者之間協調控制,PLC接到磨床發出的信號后,控制工業機器人完成相關動作,PLC接到機器人發出的指令后,可控制磨床完成相應動作。PLC與磨床之間以I/O的方式進行通信,采用繼電器對信號進行隔離,由此確保了通信傳輸的可靠性。

      4 結論

      綜上所述,隨著工業機器人的功能和性能的不斷完善,為其與機床的集成提供了條件。本文立足于某企業的實際生產需要,將工業機器人與磨床進行集成,設計開發了基于工業機器人的自動化磨削系統,該系統在企業中應用后,解決了工人勞動強度高等問題,大幅度提升了生產能效,給企業帶來巨大的經濟效益。

      參考文獻

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      (文/小編)
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