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机床工业机器人集成应用及选型

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-19 13:33:40    浏览次数:8    评论:0
导读

工业机器人是一种多功能的机器,具体是指面向工业领域的机器装置,如机械手等,它能够凭借自身的动力和控制能力,实现多种不同的功能,不但可以按照操作人员的指挥完成一些基本动作,而且还能根据预先编制好的程序运行,人工智能技术的融入,使现代工业机器人具备了智能化的特点。工业机器人与机床的集成应用,能够大幅度提

工业机器人是一种多功能的机器,具体是指面向工业领域的机器装置,如机械手等,它能够凭借自身的动力和控制能力,实现多种不同的功能,不但可以按照操作人员的指挥完成一些基本动作,而且还能根据预先编制好的程序运行,人工智能技术的融入,使现代工业机器人具备了智能化的特点。工业机器人与机床的集成应用,能够大幅度提高生产效率。借此,下面就工业机器人与机床集成应用展开分析研究。

1 工业机器人的特点及关键技术

1.1 工业机器人的特点

20世纪60年代初期,美国推出了一批工业机器人,它们的控制方式与数据机床非常相似,这些工业机器人的外形则是以类似人的手和臂组成。随着研究的不断深入,视觉传感器技术被融入到工业机器人设计当中,由此出现了可自动进行识别和定位的工业机器人系统。工业机器人之所在工业生产中获得广泛应用,与其自身所具备的诸多特点有着密不可分为的关联。工业机器人的特点体现在如下几个方面:

1.1.1 可编程

工业机器人能够按照作业环境的变化需要进行再编程,这一特点使其在多品种柔性制造中得到越来越广泛的应用,并渐渐成为很多柔性制造系统中不可或缺的关键组成部分之一。

1.1.2 通用性

除为了满足一些特殊的工业生产需要而设计的专用机器人之外,绝大多数工业机器人在执行作业任务时,均具有良好的通用性,通过对手部末端的操作器进行更换,就能够完成不同的作业任务,这一特点为工业机器人在机床和流水线作业中的应用提供了有利条件。

1.1.3 拟人化

工业机器人的外形大多都是模仿人类的手、臂等部分进行设计的,由此使得工业机器人具有了拟人化的特点,通过相关的控制程序,可使工业机器人代替工人完成各种危险的生产任务,降低了工业生产中安全事故的发生。同时,人工智能技术的融入,使工业机器人具有了适应周围环境的能力。

1.2 工业机器人的关键技术

常规的工业机器人是由本体、驱动和控制系统三个部分组合而成,其中本体是执行机构,驱动系统可以为机器人的运行提供动力,控制系统是机器人的“大脑”,决定了机器人的功能和性能。工业机器人的关键技术包括以下几个方面:

1.2.1 开放性体系结构

工业机器人采用的是分布式CPU结构体系,具体分为以下几个部分:RC(机器人控制器)、MC(运动控制器)、I/O控制板、传感器、可编程示教盒等。RC与示教盒之间借助CAN总线实现数据通信。同时,RC的主计算机能够实现如下功能:机器人运动规划、主控逻辑、传感器处理、数字I/O等,而示教盒则可对相关的信息进行实时显示,并完成按键输入。

1.2.2 层次化控制软件

工业机器人的软件建立在Linux之上,采用的是当前较为流行的分层次和模块化设计思路。控制软件分为应用层、核心层及硬件驱动层,三个层次可以满足不同的功能需求,每个层次由若干个的功能模块组成。

1.2.3 故障诊断与维护

借助各种状态信息和异常数据,可对机器人故障进行诊断,并完成相应的维护,这是确保工业机器人安全、稳定、可靠运行的关键技术之一。

1.2.4 网络化技术

工业机器人的应用逐步向生产线方向发展,由此使得联网变得愈发重要。在机器人的控制系统上有串口、CAN现场总线和工业以太网等功能,可实现机器人之间、机器人与上位PC机之间的数据通讯,为生产线监控、管理提供了极大的便利条件。

2 工业机器人与机床集成应用

近年来,我国的工业产业获得迅猛发展,工业生产规模逐步扩大,为提高生产效率,降低工人的劳动强度,很多工业企业纷纷引入工业机器人,由此使得我国成为目前全球最大的工业机器人市场。大量的工业机器人与机床进行集成应用,将是未来一段时期,工业领域与科学技术发展的必然趋势。现阶段,在工业领域中,工业机器人与机床集成较为常见的应用有以下几个方面:

2.1 工业机器人与折弯机集成

工业机器人与折弯机的集成应用方式有以下两种:一是以折弯机的机床主体作为核心部分,工业机器人上配有真空吸盘、上料架、定位台、下料台、翻转架折弯单元等;二是工业机器人与转台冲床集成,在工业机器人上配有行走轴、定位台、板料传输线、吸盘式抓手等。国内某机器人工程公司,利用自己的机器人控制系统与机床数字化控制系统等专业技术,实现了二者的无缝集成,并开发出了折弯软件程序,该软件能够对折弯机床作业过程中工业机器人的托料进行闭环控制,同时,可在不同的折弯速度下,实现机器人的自动匹配跟踪。此外,折弯软件程序的开发还大幅度缩短了折弯示教的周期,从而进一步拓宽了应用空间。

2.2 工业机器人与桁架式机床集成

在提升工业加工速度和精度的背景下,推动了工业机器人与桁架式机床的集成,桁架机器人随之出现,并在工业生产中得到越来越广泛的应用。桁架机器人又被称之为大型直角坐标机器人,这是一种具备自动控制、可重复编程、多自由度、多用途的操作机。桁架机器人以直角坐标系为数学模型,以伺服和步进电机作为驱动系统,以机械臂作为执行机构,以常规皮带、齿轮链条等作为传动方式,构成的工业机器人集成系统。桁架式机床与工业机器人的集成,使桁架机器人具有了如下特点:控制自动化、运行程序化、功能多、灵活性强、可靠性高、速度快、精度高、可进行重复编程、适用于各种恶劣的作业环境。如某公司自主研发的桁架机器人,主体结构采用整体开模铸造技术,横梁为全钢结构,重载滚轮导轨,齿轮齿条传动,负载重量超过100kg的机器人,可满足重载工业生产的需要。又如,国内某公司将桁架式机床的机械手与数控机床进行有机结合,开发出一款桁架机器人,其能够完成对待加工工件的自动抓取、上下料、位移翻转、转序加工等操作,该机器人在工业生产中的应用,不但可以大幅度降低人力成本,而且还能显著提高生产效率,具有良好的推广使用价值。

2.3 工业机器人与锻压机集成

锻压机是热模锻生产线上的关键设备,一条常规的热模锻生产线由两台锻压机组成,其中一台负责对待加工工件的切边,另外一台负责完成工件的冲压成型。热模锻机器人的集成应用,需要配置两台工业机器人,一台从冲压成型工位处的锻压机进行取料,移动到另一台锻压机工位进行切边,另一台机器人将中频热处理后的物料(温度较高)移送到冲压成型锻压机处。为防止高温工件对模具的粘附问题,机器人每次完成冲压加工后,会利用石墨对模具进行润滑处理。由于热锻模加工需要在高温、高湿的环境中进行,加之石墨本身的特殊性,所以在生产过程中,必须对机器人进行有效的保养和维护,增强其抗热和抗辐射能力,降低故障发生几率。

2.4 工业机器人与激光切割机集成

近年来,激光切割在机械加工制造领域中获得越来越广发的应用,借助激光切割机不但能够使产品的质量和劳动生产率得到大幅度提升,而且还能减少原材料的消耗,有助于加工成本的降低。现阶段,随着工业机器人各方面性能的提升,如定位精度等,为其与激光切割技术集成提供了可能,如三维激光切割机,它的核心是工业机器人,配以专用的高精度激光头,可以确保稳定的激光输出功率,能够对钣金、不锈钢等厚度不同的材料进行精确地切割加工,同时液晶显示器和脱机数控系统的加入,大幅度增强了机床的操作便捷性。目前,三维激光切割机已在诸多领域中得到广泛使用,如汽车轮船制造、电梯制造、金属外加工等等。又如,在中国国际机床工具展览会上出现的一款激光切割系统,它是工业机器人与激光发生器的有机融合,激光束引导装置被集成在机器人的机械手臂上,在机械手的精确操控下,激光束可在待加工工件上进行自由移动,从而达到切削的效果。

3 工业机器人与磨床的集成设计开发

3.1 需求分析

通过调查发现,我国的数控磨床大多都是人工的方式进行操作,通常情况下,一个工人需要在同一时间段内完成多台机床的操作与管理,劳动强度较高。由于磨削加工的时间比较短,工人很难跟上生产节奏,而且机床发出的噪声分贝比较大,对工人的身体健康会造成一定影响。某机械加工制造企业以零部件生产为主,订单多、批量大,单个工件的利润比较低,很多工序都是以人工的方式完成。为提高企业生产能效,降低工人的劳动强度,针对现有磨削工艺的不足,引入工业机器人与磨床进行集成,借此来提升机床的自动化和智能化水平。工业机器人不会受到作业环境中的噪声影响,可以连续24h不间断地工作,可靠性高,能确保加工工件的整体质量。同时,工业机器人还具备可编程功能,可满足瞬息万变的市场需要。据此,设计开发工业机器人磨削系统,下面对具体的设计过程进行分析。

3.2 总体设计思路

根据该企业的生产需要,用两台磨床对工件进行磨削加工,因现有的工艺流程中,磨削加工时间较短,从而使得工人的劳动强度较高。本文设计的系统中,一台磨床为高速端面外圆磨,可满足中小型零部件的磨削加工需要;另一台磨床普通端面外圆磨,内置PLC,采用交流伺服电机,借助滚珠丝杠驱动工业台移动,头架具有无级调速功能,尾架具有液压伸缩功能,自动量仪的加入,使该磨床能够实现闭环自动磨削循环。由于本系统中的磨床全都不具备自动上下料的功能,因此需要增加机械手来完成待加工零部件的自动上下料,据此,决定采用工业机器人与机床和料机集成,构建一个柔性化的加工制造单元,该方案最为突出的特点是容易实现换产,简单方便、效率较高。具体的设计思路如下:将两台磨床以面对面的方式进行摆设,工业机器人设置在中间位置处负责完成上下料,设计专用料机完成毛坯料及成品的运送。

3.3 工业机器人选型

在对本系统进行设计开发的过程中,工业机器人的选型是较为重要的环节之一,所选的机器人除了要具备稳定可靠的性能之外,其额定负载及可重复精度等还应当与生产工艺要求相符。由于该企业加工的零部件品种较多,所以必须考虑换产要求,综合以上几点,通过比选之后,决定采用史陶比尔公司最新推出的TX2-90型工业机器人,这是一款高速、精准的六轴工业机器人,封闭式结构,具备良好的适配性和柔性以及动态稳定性,精确度高、灵活性强,减少了维护工作量,垂直的电缆出口,安全性较高的数字编码器,机器人前臂上配有I/O和以太网连接,便于实现系统集成。该机器人的额定负载为7.0kg,最大负载为20kg,工作半径为1000mm,重复定位精度为±0.03mm,防护等级为IP65,多种安装方式,如壁挂式、置顶式和置地式,CS9系列控制器;良好的人机交互界面,易于编程,能够满足实际生产需要。

3.4 系统主要部件设计

3.4.1 料机

本文设计的系统中,料机的主要作用是运送毛坯料和加工好的成品,精确的定位是料机应具备的基本功能,结合实际生产情况,对料机进行设计,整个料机由以下三个部分组成:位于工业机器人侧的升降机构和人工侧的升降机构以及输送机构。工件放置在料盒内,料盒置于工装板上,工装板跟随传料带在料机上运动。为使送料的及时性和准确性得到保证,在料机上加装12个电磁开关、6个接近开关。料机可完成自动送料,当整盒毛坯料加工完毕之后,工业机器人会向PLC发出信号,料盒由位于上层的传送带运至机器人侧的提升机构,随后机构下降,再由下层的传送带将料盒送出,借助上层的链条将料盒送至待加工位置等待自动送料。

3.4.2 末端执行器

本文设计开发的系统中,工业机器人的机械部分由以下部件组成:末端执行器(机械手)、手臂、手腕、基座。末端执行器可对相关的工具进行抓取,如喷枪、扳手等,它装在手臂的前端,可以模仿人手的基本动作。本系统加工的零部件以轴类零件为主。因此,机械手只需要二指或三指平动抓手即可完成对工件的抓取,为保证工件抓取的牢固性,选用三指机械手,对料盒中的毛坯料进行转移。同时,为满足不同规格的零部件加工要求,在设计末端执行器时,对连接部分进行了特殊处理,机械、气动和电气三个部分均可断开和更换。手爪可以完成夹紧和松开两种状态的切换,通过机械手进行上下料,能够缩短磨床的等待时间,大幅度提升了机床的利用效率。

3.4.3 磨削控制系统

选择PLC作为磨削控制系统的主控制器,以此来对整个磨削工艺流程进行控制。其中料机由PLC直接控制,PLC选用西门子公司的S7系列PLC,这是一款紧凑型的控制器,以循环扫描的方式进行工作,PLC与人机交互面板触屏相连接,操作人员可通过触屏对系统的运行状态进行观察,并对系统启停进行控制。PLC与机床采用I/O接口进行数据通信,借助Modbus/TCP协议与工业机器人进行通信,工业机器人通过以太网交换机与PLC进行连接。为便于操控,对人机交互界面进行优化设计,整个界面简洁明了,系统操作人员可直观了解系统的运行状态,利用动态模拟,可对现场的实际情况进行还原。

3.5 工业机器人的控制与通信

本文设计的机器人控制系统具有如下功能:记忆、示教、设置坐标、人机和传感器接口、故障诊断及安全保护等等。控制器选用的是CS9系列控制器,该控制器支持以太网、I/O等通讯方式,结构紧凑,可在任意位置安装,防护等级为IP20,便于连接,可靠性较高。由于工业机器人与磨床无法进行直接通信,因此,需要借助PLC对二者之间协调控制,PLC接到磨床发出的信号后,控制工业机器人完成相关动作,PLC接到机器人发出的指令后,可控制磨床完成相应动作。PLC与磨床之间以I/O的方式进行通信,采用继电器对信号进行隔离,由此确保了通信传输的可靠性。

4 结论

综上所述,随着工业机器人的功能和性能的不断完善,为其与机床的集成提供了条件。本文立足于某企业的实际生产需要,将工业机器人与磨床进行集成,设计开发了基于工业机器人的自动化磨削系统,该系统在企业中应用后,解决了工人劳动强度高等问题,大幅度提升了生产能效,给企业带来巨大的经济效益。

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