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數(shù)控機(jī)床

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數(shù)控車床上下料調(diào)控系統(tǒng)的研究
2024-4-26  來源： 江蘇省海安中等專業(yè)學(xué)校  作者：徐曉燕

     摘要：針對機(jī)床采用人工上下料所存在的勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的問題，提出了一種以機(jī)械手為核心的機(jī)床自動上下料系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制流程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該數(shù)控車床自動上下料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動上下料，減少 2 名操作員工，為落后機(jī)床的自動化改造提供了指導(dǎo)，具有極大的應(yīng)用推廣價值。
 
     關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 上下料 自動控制

     引言
 
     隨著國內(nèi)“工業(yè) 4.0”進(jìn)程的不斷發(fā)展，對制造業(yè)的智能化和自動化要求不斷提升，目前國內(nèi)多數(shù)的車床在上下料方面均采用的是人工上下料，不僅勞動強(qiáng)度大、效率低，而且人工在取放料的過程中存在著較大的危險(xiǎn)性，嚴(yán)重限制了數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提升。
  
     為了提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的效率和安全性，同時控制改造成本，本文提出了在數(shù)控機(jī)床旁增加一個機(jī)械手裝置，利用 PLC 控制系統(tǒng)控制機(jī)床和機(jī)械手聯(lián)動的改造方案。該方案只需增加一個機(jī)械手，同時對數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床和機(jī)械手的聯(lián)動運(yùn)行控制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該機(jī)床上下料控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物料的自動取放，將機(jī)床生產(chǎn)效率提升了 2.6 倍，消除了人工取放定位精度差、安全性不足的隱患，具有極大的推廣應(yīng)用價值。
  
     1、自動上下料系統(tǒng)構(gòu)成
  
     為了滿足自動上下料系統(tǒng)的控制精確性和可靠性需求，該系統(tǒng)包括了硬件和軟件兩個部分，其自動上下料部分的硬件布局結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。


圖 1 自動上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

     該控制系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)包括控制器、伺服系統(tǒng)、交流電機(jī)、各類傳感器等，而其軟件系統(tǒng)則主要是用于控制數(shù)控機(jī)床和機(jī)械手的聯(lián)動運(yùn)行，其控制程序設(shè)置在示教器和遠(yuǎn)程控制中心內(nèi)，同時滿足就地控制和遠(yuǎn)程控制的需求。
  
     1.1 自動上下料控制系統(tǒng)
  
     對于數(shù)控機(jī)床的自動上下料控制來說，首先要保證上下料定位的精確性，其次要能保證自動上下料的效率滿足數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)節(jié)拍需求。因此該自動上下料控制系統(tǒng)必須能夠保證控制精確性、快速性的需求。在對多種運(yùn)動機(jī)器人控制器的應(yīng)用情況進(jìn)行分析后，最終選用了一款滑軌機(jī)器人控制器，其具有體積小、容量大的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)總線，能夠滿足瞬時大容量的數(shù)據(jù)通信需求，而且采用了雙屏蔽電纜，能夠有效抵抗外界干擾，確保信息傳輸?shù)木_性。在設(shè)定控制邏輯時，首先需要根據(jù)數(shù)控機(jī)床、滑軌機(jī)器人的布局情況合理選擇上下料的路線，并根據(jù)上下料路線設(shè)置上下料控制程序，使滑軌機(jī)器人的運(yùn)行保持在一定的范圍內(nèi)，保證數(shù)控機(jī)床在自動上下料過程中的安全性。
  
     為了滿足自動上下料控制系統(tǒng)的拓展需求，在控制器選擇時，選擇了具有 21 路輸入接口和 24 路輸出接口的多接口控制器，各個接口均采用了標(biāo)準(zhǔn)化端口，能夠快速的進(jìn)行模塊的添加，從而能夠滿足不同情況下的拓展需求。
  
     該數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2 所示。


圖 2 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)框架


     1.2 伺服系統(tǒng)
  
     滑軌機(jī)器人的機(jī)械手在進(jìn)行零件取放的過程中，需要運(yùn)行平穩(wěn)、取放精度高，因此要求取件的伺服控制系統(tǒng)具有極高的控制精度和控制平穩(wěn)性，不能存在丟步現(xiàn)象。傳統(tǒng)脈沖式伺服驅(qū)動系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，但其控制穩(wěn)定性較差，因此在經(jīng)過對比后選擇了總線式伺服驅(qū)動系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口和控制模塊相連接，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性和高速傳輸需求。總線式伺服驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。


圖 3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

     1.3 電機(jī)選擇
  
     目前各驅(qū)動控制系統(tǒng)在選型時一般優(yōu)先選擇步進(jìn)電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)在工作中容易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，將導(dǎo)致取料系統(tǒng)的定位偏差，影響數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行安全性。因此在綜合對比后選擇了交流伺服電機(jī)作為該上下料控制系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，提高上下料系統(tǒng)在工作中的精確性和運(yùn)行平穩(wěn)性。
  
     2、上下料控制原理
  
     該驅(qū)動系統(tǒng)在工作中直接對滑軌機(jī)器人進(jìn)行控制，通過在 X 軸上的運(yùn)動帶動機(jī)械手運(yùn)行，然后利用Z 軸的移動來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對物料的抓取或者釋放。
  
     為了滿足滑軌機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床聯(lián)動運(yùn)行的控制需求，需將兩者的控制和通信系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的 I/O 接口，并聯(lián)所需的信號與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) I/O 數(shù)據(jù)通信。在進(jìn)行上下料運(yùn)行控制時，控制中心首先獲取數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息，對其下一階段的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，然后提前發(fā)出控制信息給滑軌機(jī)器人，使滑軌機(jī)器人提前準(zhǔn)備好上料或者下料，從而實(shí)現(xiàn)上下料動作和機(jī)床加工情況的無縫銜接，提高機(jī)床在工作時的運(yùn)行效率。該自動上下料控制邏輯如圖 4 所示。


圖 4 數(shù)控機(jī)床自動上下料控制邏輯示意圖


     3、應(yīng)用現(xiàn)狀分析
  
     以 CKD6180D 數(shù)控機(jī)床為例[9]，對其進(jìn)行自動化上下料系統(tǒng)改造，然后對其應(yīng)用前后的狀態(tài)進(jìn)行對比結(jié)果如表 1 所示。

表 1 不同上下料方式對比
 
 

     由實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果可知，采用新的自動上下料系統(tǒng)后，每個工件的平均上下料時間降低了 57.1%，由于實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，因此能夠顯著延長數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)時間，其每天的產(chǎn)能比采用人工生產(chǎn)提升了 2.6倍，因定位不精確而導(dǎo)致的不合格品的數(shù)量則降低了83.3%。由于采用了精準(zhǔn)定位模式，因此每個零件的平均定位精度比優(yōu)化前提升了 95%，而由于定位不精確而導(dǎo)致的工件異常數(shù)量則比優(yōu)化前降低了 99.5%。因此，通過實(shí)際應(yīng)用分析，新的數(shù)控機(jī)床自動上下料系統(tǒng)，不僅能夠顯著提升數(shù)控機(jī)床的工作效率，而且能夠有效降低其在工作過程中的異常率，極大地提升了工廠的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，因此具有極大的應(yīng)用推廣價值。
  
     4、結(jié)論
  
     1）機(jī)床上下料控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括了控制器、伺服系統(tǒng)、交流電機(jī)、各類傳感器等，能夠顯著提升其控制可靠性。
     2）總線式伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口和控制模塊相連接，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性和高速傳輸?shù)目煽啃浴?/font>
     3）該機(jī)床上下料控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物料的自動取放，將機(jī)床生產(chǎn)效率提升了 2.6 倍，將因定位不精確而導(dǎo)致的工件異常數(shù)量降低 99.5%。
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