加工生產(chǎn)線的自動化改造探析

1、加工生產(chǎn)線的自動化改造探析隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及自動化控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工 業(yè)手工操作已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前企業(yè)發(fā)展的需求，工業(yè)自動化建設(shè)得到 了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)線中，應(yīng)用自動化技術(shù)，能夠有效提高生 產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，同時還對提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及核心競爭 力起到至關(guān)重要的作用。基于此，筆者進(jìn)行了相關(guān)介紹。項目背景某加工生產(chǎn)線由三臺立式車床和兩臺加工中心組成，機(jī)床均為手 動開關(guān)門，部分機(jī)床系統(tǒng)通信方面只具有 RS232 串口通信能力。該線 主要生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，它們外形相似，工藝流程相同，工裝、刀具通用， 產(chǎn)品柔性化程度較高。工件在機(jī)床上的定位工序間需翻轉(zhuǎn)一次，其中， 有兩個工序有角向

2、定位要求。項目內(nèi)容對現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行功能及自動化改造，增加多關(guān)節(jié)機(jī)器人、 2D/3D 視覺拍照系統(tǒng)及行走導(dǎo)軌，增加生產(chǎn)線附屬設(shè)施，實現(xiàn)工件的 自動運(yùn)轉(zhuǎn)。通過增加刀具管理系統(tǒng)、產(chǎn)品的在線檢測及刀具破損檢測 等功能，實現(xiàn)兩種產(chǎn)品在現(xiàn)有生產(chǎn)線上的一定時間內(nèi)的無人化生產(chǎn)。2.1 整個系統(tǒng)的組成整個項目系統(tǒng)由一個 PLC 總控制柜、一臺 FANUC 機(jī)器人 R2000iC/165F、一個機(jī)器人控制柜 R-30iB、FANUCiR Vision 2DV/3DL 視覺系統(tǒng)、行走軸（第七軸）、抽檢臺、五個換向臺、切屑及切削液清 理裝置、物料自動輸送線、角向定位周轉(zhuǎn)臺、非標(biāo)卡爪（斷氣保持）、 3臺數(shù)控車床、2

3、臺加工中心、兩套雷尼紹在線測量Primosystem、三 套刀具破損系統(tǒng)TRS2及一套基恩士電感測筆（GT2-A12K）組成。電氣連接機(jī)器人控制柜與機(jī)器人進(jìn)行接線（包括氣路的連接）及通信設(shè)置； 將所需的機(jī)床信號點（如開關(guān)門、程序啟動、報警等）采集后利用 cclink 模塊集成與總控進(jìn)行I/O通信連接；同樣將輸送線上的變頻器、電磁 閥以及傳感器等開關(guān)量也利用CCLINK進(jìn)行集成與總控制柜通信連接; 然后完成總控與機(jī)器人控制柜的接線通信；轉(zhuǎn)換臺、抽檢臺及吹氣筒 的電磁閥及傳感器的信號則通過直接接線實現(xiàn)I/O連接。產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)的設(shè)計方案 由于產(chǎn)品在加工流轉(zhuǎn)過程中存在四次翻轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)工件的自由換向，利用齒

4、輪齒條旋轉(zhuǎn)工作原理，借助氣缸、電磁閥和限位塊。實現(xiàn) 工件靈活、準(zhǔn)確的換向，并通過控制柜控制轉(zhuǎn)換臺的旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)品的定位及產(chǎn)品抓取方案（1）2D/3D 視覺的應(yīng)用。為實現(xiàn)對托盤上毛坯的準(zhǔn)確抓取，我 們利用FANUCiRVision3DL視覺系統(tǒng)，對托盤中的產(chǎn)品進(jìn)行特征識別， 依據(jù)基準(zhǔn)特征進(jìn)行校正，對工件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確保工件抓取時準(zhǔn)確 可靠。 OP15 工件在安裝時需要有準(zhǔn)確的角向定位要求，為此，我們 利用FANUCiRVision2D視覺系統(tǒng),充分利用工件的有效角向特征量， 來滿足工件的角向定位抓取及安裝要求。（2）三指氣動手抓設(shè)計。為同時滿足產(chǎn)品大小端的抓取，避免 更換手抓或者設(shè)計雙手抓浪費(fèi)時間

5、、占空間的問題，將手抓設(shè)計成階 梯型手抓，手抓帶斷氣保持，保證抓取的安全。抽檢臺的設(shè)計方案 根據(jù)工件兩種放置狀態(tài)設(shè)置兩個抽檢臺，并可沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動。操作人員在圍欄外選取需抽檢機(jī)床（工序）的開關(guān)，機(jī)器人將自動在 該機(jī)床（工序）加工完成后，將待測工件放在抽檢平臺上，并輸出到 安全圍欄外。抽檢完成后人工向系統(tǒng)發(fā)送完成信號，機(jī)器人會自動將 產(chǎn)品送回生產(chǎn)線進(jìn)行后序加工。機(jī)床、工裝改造（1）自動門的改造?，F(xiàn)場的數(shù)控機(jī)床PMC具備自動門功能，根 據(jù)機(jī)床電氣原理圖將自動門K代碼接通，把自動門功能打開，然后查 找開關(guān)門的M代碼指令。取機(jī)床兩個輸入X分別接在開門按鈕和關(guān) 門按鈕上，再取兩個輸出Y接在三位五通的電磁

6、閥上，再從電磁閥上 引出氣管接入自動門的氣缸上，在機(jī)床上安裝氣缸及接線，接入機(jī)床 對應(yīng)的Y輸出。同時增加門開到位檢測的控制。自動門自動運(yùn)行通過 執(zhí)行M代碼實現(xiàn)，同時人工可以通過開關(guān)門按鈕對其控制。（2）液壓工裝的改造。對 OP15 序工裝進(jìn)行液壓改造，由手動 夾緊，改為液壓夾緊，同時增加定位面的氣密檢測裝置，將氣密信號 寫入機(jī)床PMC，實現(xiàn)氣密檢測及報警，保證定位可靠。（3）機(jī)床底液管路改造。為清理工裝切屑，將機(jī)床底液管路改 造，通過管路引到機(jī)床側(cè)壁上，對工件、工裝進(jìn)行沖刷，并通過機(jī)底 液開關(guān) M 代碼集成到加工程序中來控制。2.7 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)流程 整個生產(chǎn)線進(jìn)行初始化確認(rèn)，從托盤利用視覺

7、系統(tǒng)進(jìn)行拍照抓取 毛坯，放置轉(zhuǎn)換臺，機(jī)器人讀取各機(jī)床的上料、下料信號，并通過節(jié) 拍判斷，選擇對哪臺機(jī)床進(jìn)行上料、下料。其中工件OP10到OP15 時，再次進(jìn)行拍照，識別角向特征，準(zhǔn)確抓取。當(dāng)需要抽檢時，控制 柜發(fā)出具體工位抽檢信號，機(jī)器人執(zhí)行抽檢程序，抽檢完成后，工件 被放回，繼續(xù)加工。機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)流程如圖1所示，整個設(shè)計方案實現(xiàn)了機(jī)器人與 機(jī)床、輸送線及相關(guān)附件的基本通信，滿足了機(jī)器人對工件的定位、 翻轉(zhuǎn)、抓取、抽檢及準(zhǔn)確上下料，構(gòu)成了一套完整的、響應(yīng)迅速的搬 運(yùn)系統(tǒng)。圖1在線檢測技術(shù)在自動線改造中的應(yīng)用基于宏程序的雷尼紹在線檢測技術(shù)的二次開發(fā)應(yīng)用 為解決產(chǎn)品的在線檢測，我們在數(shù)控立車上安

8、裝了雷尼紹在線檢 測系統(tǒng)，主要對外圓內(nèi)孔進(jìn)行測量以及實現(xiàn)部分刀具的自動對刀。但 雷尼紹在立車上的應(yīng)用還比較罕見，我們通過研究，對該系統(tǒng)進(jìn)行了 二次開發(fā)。雷尼紹的測量二次開發(fā)思路分析：由雷尼紹測量原理可知，該系 統(tǒng)的測量思路是“工件加工前檢測”，即對下一工件加工前進(jìn)行修正。 該測量系統(tǒng)適用于工件的偏差值必須設(shè)定在公差范圍內(nèi)，修正的目標(biāo) 是將在公差范圍的尺寸不斷趨近中值的過程，類似于 CPK 上下線的 收窄，借助測量控制來提高過程控制能力及穩(wěn)定性。如果測量超差， 系統(tǒng)就會報警，測量結(jié)果不會保存，這時需人工介入測量，人工修正 加工。這對自動線運(yùn)轉(zhuǎn)造成一個較長的停機(jī)時間。利用宏程序?qū)⒓庸で皽y量改為加工

9、過程中的測量，即當(dāng)前工件加 工、測量后，將測量結(jié)果與工件要求公差進(jìn)行比較判斷，如果合格則 放行，程序結(jié)束。如果超差，雷尼紹（程序）會將差值進(jìn)行自動補(bǔ)償， 并對該尺寸自動進(jìn)行二次加工，然后針對該尺寸進(jìn)行二次測量，此時 從理論上講，加工的工件為合格工件，所以此時調(diào)用的測量程序的公 差范圍為工件的真實公差，一旦測量超差，說明測量系統(tǒng)異常。這相 當(dāng)于對測量系統(tǒng)的一個二次反饋與測評。從而使整個系統(tǒng)形成一個完 整的閉環(huán)，保證了整個測量系統(tǒng)的安全可靠性。對刀功能未使用對刀儀時，每把刀的補(bǔ)償值是通過人工試切，然后對試切 工件進(jìn)行測量計算，補(bǔ)償才能完成，此方式容易造成工件的報廢。當(dāng) 更換刀具時，原則上這項工作要

10、重新進(jìn)行，先試切、再刀補(bǔ)。該工作 占用大量的生產(chǎn)輔助時間，尤其在自動生產(chǎn)線中，造成大量停機(jī)時間， 影響整條線的搬運(yùn)效率。我們利用雷尼紹的刀具破損檢測，實現(xiàn)了刀 具的自動對刀，刀具更換后，無需再人為退刀補(bǔ)，再加工，便能得到 準(zhǔn)確的刀具補(bǔ)償值。此次雷尼紹測量系統(tǒng)在數(shù)控立車上的應(yīng)用并對其二次開發(fā)，實現(xiàn) 了對該技術(shù)的一個突破，尤其為立式車床實現(xiàn)在線檢測提供了經(jīng)驗?；诨魇繙y筆的在線檢測及自動補(bǔ)償技術(shù)的二次開發(fā)OP10 序的在線檢測，是利用基恩士測筆來實現(xiàn)的。該測筆系統(tǒng) 是獨立于機(jī)床以外的控制測量系統(tǒng)，測筆作為末端傳感器，通過測筆 與工件接觸時測筆的壓縮量觸發(fā)傳感器開關(guān)?；魇靠刂葡到y(tǒng)能夠準(zhǔn)確記錄信號

11、觸發(fā)位置，通過 CPU 進(jìn)行處 理，得到測量數(shù)值。由于整個基恩士測筆與機(jī)床相互獨立，無法實現(xiàn) 在線檢測后的刀具自動補(bǔ)償，為此需要建立測筆與機(jī)床間的通信，實 現(xiàn)自動補(bǔ)償。實現(xiàn)方式：通過增加小型工控機(jī)，設(shè)計開發(fā)測量軟件，讀取測筆 的測量值，并通過運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品尺寸，利用 CF 卡轉(zhuǎn)網(wǎng)口，實現(xiàn) 工控機(jī)與機(jī)床的通信，使之既能讀取機(jī)床的模態(tài)變量又能對機(jī)床的宏 變量地址進(jìn)行寫入，實現(xiàn)雙向傳輸。在此基礎(chǔ)上與機(jī)床宏程序及總控 相配合，實現(xiàn)對產(chǎn)品的在線檢測、自動補(bǔ)償以及檢測頻次的設(shè)置。刀具管理系統(tǒng)在自動線改造中的應(yīng)用 為解決項目實施中刀具更換頻繁，導(dǎo)致人為干預(yù)較多，將刀具壽 命管理系統(tǒng)應(yīng)用于自動化改造。原理：利用宏程序，將刀組的信息（包括刀組數(shù)及刀具壽命）、 刀組的內(nèi)的刀具地址及刀具偏置地址以及每把刀具的刀具壽命計數(shù) 寄存器的數(shù)值進(jìn)行讀取，添加到 FANUC 刀具管理系統(tǒng)的可視化的頁 面上，一把刀的刀具壽命達(dá)到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)接受信號，同時調(diào)用該 刀組內(nèi)的備用刀具，當(dāng)?shù)督M內(nèi)刀具壽命全部達(dá)到時，即已使用刀具數(shù) 達(dá)到刀組預(yù)設(shè)刀具數(shù)時，機(jī)床 PMC 報警。完成刀具壽命管理程序后，刀組及相應(yīng)刀具壽命更新到刀具壽命 管理系統(tǒng)中。加工程序中調(diào)用格式為TXX99。在