數(shù)控車床上下料調控系統(tǒng)的研究
2024-4-26 來源： 江蘇省海安中等專業(yè)學校 作者：徐曉燕
摘要：針對機床采用人工上下料所存在的勞動強度大、生產(chǎn)效率低的問題，提出了一種以機械手為核心的機床自動上下料系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的結構、工作原理及控制流程進行了詳細的分析。根據(jù)實際應用表明，該數(shù)控車床自動上下料系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)控機床的自動上下料，減少 2 名操作員工，為落后機床的自動化改造提供了指導，具有極大的應用推廣價值。
關鍵詞：數(shù)控車床 上下料 自動控制
引言
隨著國內“工業(yè) 4.0”進程的不斷發(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性，嚴重限制了數(shù)控機床生產(chǎn)效率的進一步提升。
為了提高數(shù)控機床生產(chǎn)的效率和安全性，同時控制改造成本，本文提出了在數(shù)控機床旁增加一個機械手裝置，利用 PLC 控制系統(tǒng)控制機床和機械手聯(lián)動的改造方案。該方案只需增加一個機械手，同時對數(shù)控機床的控制系統(tǒng)進行升級，實現(xiàn)了機床和機械手的聯(lián)動運行控制。根據(jù)實際應用表明，該機床上下料控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)物料的自動取放，將機床生產(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，具有極大的推廣應用價值。
1、自動上下料系統(tǒng)構成
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構如圖 1 所示。
圖 1 自動上下料系統(tǒng)結構示意圖
該控制系統(tǒng)中的硬件結構包括控制器、伺服系統(tǒng)、交流電機、各類傳感器等，而其軟件系統(tǒng)則主要是用于控制數(shù)控機床和機械手的聯(lián)動運行，其控制程序設置在示教器和遠程控制中心內，同時滿足就地控制和遠程控制的需求。
1.1 自動上下料控制系統(tǒng)
對于數(shù)控機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。在對多種運動機器人控制器的應用情況進行分析后，最終選用了一款滑軌機器人控制器，其具有體積小、容量大的特點，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。在設定控制邏輯時，首先需要根據(jù)數(shù)控機床、滑軌機器人的布局情況合理選擇上下料的路線，并根據(jù)上下料路線設置上下料控制程序，使滑軌機器人的運行保持在一定的范圍內，保證數(shù)控機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準化端口，能夠快速的進行模塊的添加，從而能夠滿足不同情況下的拓展需求。
該數(shù)控機床控制系統(tǒng)構成如圖 2 所示。
圖 2 數(shù)控機床控制系統(tǒng)框架
1.2 伺服系統(tǒng)
滑軌機器人的機械手在進行零件取放的過程中，需要運行平穩(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)脈沖式伺服驅動系統(tǒng)雖然結構簡單、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動系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)可以通過標準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。總線式伺服驅動系統(tǒng)的整體結構如圖 3 所示。
圖 3 伺服驅動系統(tǒng)結構示意圖
1.3 電機選擇
目前各驅動控制系統(tǒng)在選型時一般優(yōu)先選擇步進電機，但步進電機在工作中容易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，將導致取料系統(tǒng)的定位偏差，影響數(shù)控機床的運行安全性。因此在綜合對比后選擇了交流伺服電機作為該上下料控制系統(tǒng)的驅動裝置，提高上下料系統(tǒng)在工作中的精確性和運行平穩(wěn)性。
2、上下料控制原理
該驅動系統(tǒng)在工作中直接對滑軌機器人進行控制，通過在 X 軸上的運動帶動機械手運行，然后利用Z 軸的移動來實現(xiàn)機械手對物料的抓取或者釋放。
為了滿足滑軌機器人和數(shù)控機床聯(lián)動運行的控制需求，需將兩者的控制和通信系統(tǒng)進行改造，設置標準化的 I/O 接口，并聯(lián)所需的信號與控制系統(tǒng)實現(xiàn) I/O 數(shù)據(jù)通信。在進行上下料運行控制時，控制中心首先獲取數(shù)控機床的運行狀態(tài)信息，對其下一階段的運行情況進行判斷，然后提前發(fā)出控制信息給滑軌機器人，使滑軌機器人提前準備好上料或者下料，從而實現(xiàn)上下料動作和機床加工情況的無縫銜接，提高機床在工作時的運行效率。該自動上下料控制邏輯如圖 4 所示。
圖 4 數(shù)控機床自動上下料控制邏輯示意圖
3、應用現(xiàn)狀分析
以 CKD6180D 數(shù)控機床為例[9]，對其進行自動化上下料系統(tǒng)改造，然后對其應用前后的狀態(tài)進行對比結果如表 1 所示。
表 1 不同上下料方式對比
由實際驗證結果可知，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%，由于實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，因此能夠顯著延長數(shù)控機床的生產(chǎn)時間，其每天的產(chǎn)能比采用人工生產(chǎn)提升了 2.6倍，因定位不精確而導致的不合格品的數(shù)量則降低了83.3%。由于采用了精準定位模式，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，通過實際應用分析，新的數(shù)控機床自動上下料系統(tǒng)，不僅能夠顯著提升數(shù)控機床的工作效率，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)濟性，因此具有極大的應用推廣價值。
4、結論
1）機床上下料控制系統(tǒng)的硬件結構包括了控制器、伺服系統(tǒng)、交流電機、各類傳感器等，能夠顯著提升其控制可靠性。
2）總線式伺服驅動系統(tǒng)可以通過標準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）該機床上下料控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)物料的自動取放，將機床生產(chǎn)效率提升了 2.6 倍，將因定位不精確而導致的工件異常數(shù)量降低 99.5%。
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