6轴关节型搬运机器人柔性加工单元设计

陈心怡，王 彬，张存宏，吴志光

(池州职业技术学院 机电与汽车系，安徽 池州 247000)

工业机器人作为智能制造的重要载体，可以实现对毛坯上下料、装配、检测及码垛等自动化作业，达成生产过程的节能、低耗、多产.目前国外对电机前端盖、后端盖及电机轴的加工更加倾向于使用智能制造，可实现“多机、多刀、多件、多序”加工[1].本文针对国内部分仍由人工操作数控车床进行电机工件加工、组装的方式，以6轴关节型搬运机器人为载体，综合分析130ST-M0203LB型电机前端盖的生产工艺过程、生产设备用途、生产周期、生产效率等因素，通过合理布局3台斜床身数控车床、1台自动料仓和传送带、1台检测装置等外围设备，运用总控PLC控制协调上、下位机之间的交互信号处理、状态监控等，确保各单元安全可靠地加工运行，改良形成了适用于大批量生产的柔性制造加工单元.

1 前端盖加工工艺分析

本文采用具有代表性的130ST-M0203LB型电机的前端盖(见图1)为例进行分析，其主要工序包括钻孔、电泳、车削加工、入库等， 编制工艺路线为钻安装孔→电泳机加工→车削1→车削2→入库.其中车削1包括车ø123止口、车ø62轴承室、切O形圈槽、车端面，用时约3 min 56 s；车削2包括用轴承室定位后车ø110止口、车两端面、车ø40骨架油封室，用时约1 min 45 s，加工时长均允许有10%的浮动值.因此，前端盖的工艺过程需要进行2次装夹、2次加工，且车削1和车削2用时时差接近2倍.其中除车削1工序中ø62轴承室为Q235低碳钢以外，其他位置均为铝合金.因此,加工轴承室的刀具磨损情况较为严重，长期加工时需要进行实时自动补刀.

2 柔性加工单元及其组成

柔性加工单元由3台CK40斜床身数控车床、1台六自由度工业机器人、1台自动上下料料仓(带抽检皮带线)以及1台离线自动检测装置组成，需要机器人完成设备之间的工件转送任务.考虑到“岛式”加工单元集生产效率高、加工质量稳定、作业空间紧凑等优点[2]，本项目提出了构建“岛式”加工单元，即以落地式机器人为岛心，机床等其他设备在其周围作环状布置，进行设备件的工件转送.由于工件对翻面加工的同轴度要求很高(0.012 mm)，因此3#机床采用可自动定心的高精度的液压芯轴(回转精度0.003 mm)作为夹持单元.

图1 电机前端盖(单位：mm)

2.1 机器人本体和控制系统

采用JL-020型6轴关节型搬运机器人，自重约260 kg，负载20 kg，最大旋转半径为1 699 mm.控制系统采用HRT工业机器人控制系统，辅配专用多轴运动控制卡、数据采集卡、专用端子和安全接口等，能适配多种增量和绝对式伺服[3]. 机器人本体结构如图2所示.

图2 机器人本体结构(单位：mm)

2.2 数控车床和数控系统

选取CK40型数控车床，整机具备功能齐全、加工效率高、精度稳定性好、可靠性高且自动化程度高等特点.采用整体式床脚和全封闭式防护结构，45°斜式床身，全部主导轨表面经淬火处理后进行精密的磨削加工，精度及精度保持性好.可为用户选配标准的电动或液压的卧式8、10、12工位的刀架，适用于加工各种轴类、盘类及形状复杂的批量工件，更适合于精度及尺寸一致性要求较高的大批量工件生产[4].采用全数字总线式HNC818A型系统，具备NCUC工业现场总线技术，支持总线式远程I/O单元，输入/输出最多分别支持2 048点，总线设备间最大距离可达50 m.

2.3 自动料仓和抽检传送

为配合工业机器人完成零件搬运、上料、抓取、下料等一系列操作，本柔性加工单元采用8工位转盘式自动料仓，具有升降功能的2个工位分别为上料位和下料位.机械手在上料位每抓取1个工件时，上料工位上升1层；机械手在下料工位每放置1个工件时，下料工位下降1层.当上料工位工件全部取完，下料工位装满工件时，转盘旋转1个工位，下一个工位成为新的上料位.取完工件的原工位成为新的下料位，开始新的一轮上料与下料程序，直到全部毛坯加工完毕，系统停机.操作人员取下全部工件，更换上毛坯件，进行下一批次的加工.另外，当料仓旋转5次后，另一个工业机器人同步卸载末端下料位上的成品工件，同时装载待加工的毛坯件，让自动料仓不停机连续运转下去.

为及时发现不合格零件，本系统在料仓出口处设置了1个抽检传送装置，从成品中按一定比列进行抽检，避免成批次品出现的可能，保证了工件加工的质量[5].

2.4 在线测量系统

为及时发现工件尺寸偏差并进行筛选或纠偏，防止加工误差的累积造成不可逆转的次品，2#、3#数控车床之间设置了在线测量系统，检测中间轴承孔位和带O形圈槽止口的尺寸精度，实时反馈给上位机.上位机通过计算，算出刀补参数进行实时纠偏，以此保证工件的加工精度[6].若检测合格，送入3#数控车床继续下一个工序加工；若检测不合格，机械手直接终止下一道工序；若经系统纠偏仍不合格，则系统发出警报，通知工作人员对相应数控车床进行检查，避免成批量次品的产生.

3种型号的工件对应3种规格的检测台，当要加工的工件型号更换时，也必须手动更换检测台.检测台两侧设置手把，方便操作人员更换时握持，底座上也有定位块，可以保证检测台每次都能安装到正确的位置.

2.5 车床夹具

1#、2#数控车床进行车工工序1的加工，夹持工件为毛坯，定位精度要求不高，故可直接采用CK40数控车床标配的三爪液压卡盘夹持工件进行加工.车工第2道工序(3#车床)采用定制的液压膨胀芯轴作为夹具，夹持工件轴承孔位.3种型号的工件则对应3种型号的芯轴，加工不同型号的前端盖时需要更换配套的液压膨胀芯轴，其安装和拆卸较为便捷.膨胀芯轴回转精度达到0.003 mm，可以满足同轴度0.012 mm的精度要求，芯轴表面涂层硬度可达70 HRC，使用寿命长.

3 柔性加工工作流程

工作流程如图3所示，由于车1工序和车2工序的加工时间约为2∶1的关系，因此1#车床和2#车床都进行车1工序，3#车床进行车2工序，这样3台车床的加工节拍衔接紧密，进入循环状态后机床基本没有空闲等待的时间，保证了机床的工作效率最大化.

图3 工作流程

当系统正常循环启动后，可进行全自动化的加工、检测、机床自动补刀.操作人员只需定时取出料仓内加工完毕、检测合格的工件，并重新将毛坯件装满料仓，单元可不停机持续工作，生产节拍为2.5 min，良品率可达99%以上.

此加工单元运行可靠，且具有较高的柔性，通过更换机器人手爪、液压芯轴、离线检测台型号并调整自动上下料料仓大小，便可以加工110ST和150ST型号的电机前端盖以及110ST、130ST、150ST型号的电机后端盖.

4 电气控制系统

电机前端盖柔性加工单元的总控系统如图4所示，采用上、下位机的形式.总控PLC负责3台机床、离线检测设备、料仓、机器人之间交互信号的处理及状态监控、安全保护等.上位机包括离线检测的工控机、总控PLC、人机交互的显示器及上位机控制软件等，控制离线检测和机器人交互，监测3台机床状态，控制系统各设备信号交互等.

图4 柔性加工单元总控系统

用户权限管理界面如图5所示，上位机控制软件主要有机床监控功能、料仓监控功能、机器人监控功能、总控PLC监控功能、离线检测台控制功能、实时自动刀具磨损补偿功能、生产管理功能等.

图5 用户权限管理界面

总控系统提供对3台机床的状态监控及控制功能，包括报警、报警历史、寄存器、刀补、机床位置、加工程序、进给倍率、快移倍率、主轴倍率等；可监控自动料仓及机器人的实时运行状态，控制各单元之间交互，确保各单元安全、可靠地加工运行；根据加工状态控制离线检测台检测工件，自动补偿刀具的磨损，提高加工精度.

整个加工单元的工作流程由机器人程序决定，各设备的I/O信号通过总控PLC进行通讯和逻辑运算，协调各设备的动作顺序，确保加工的顺利进行和设备的安全.

上位机则主要实现系统的实时监视.通过以太网与3台机床和总控PLC相连接，在线监测并记录机床、机器人、料仓等设备的工作状态、参数、I/O信号等，自动统计加工工件数量、成品数量、废品数量.离线检测系统通过RS485接口(MODBUS总线协议)与上位机联系，将检测到的工件数据及其他的检测信号等发送给上位机进行显示和记录，上位机将检测数据反馈给相应的机床数控系统，数控系统根据反馈的检测数据进行自动刀补，无需人工操作.所有生产信息可通过网络进行传送，管理者可远程实时监控自动加工单元的运行情况，并且所有生产数据自动记录，通过网络可随时调阅，大大方便了生产管理，为企业建立MES系统提供了基础条件.

5 安全系统

智能化是柔性加工单元区别传统自动化设备的显著特征，不仅具有优秀的产品质量和加工效率的控制算法，而且还应具有精准自我诊断和绝对保障的安全措施.本课题针对设备启停、上料、下料、夹持、传送等可能出现的故障均设置了相应的声光报警装置，并具有上位机故障提示功能，时刻在线监控设备的运行状况，精准排障；针对误入危险区、发生碰撞等存在的较大安全隐患，设置了急停、互锁等应急安全系统[7]，最大程度地建立周密完善的安全保障系统.例如：在工作区设置了安全门，安全门通过1个电气机械锁与总控系统锁定，通过1个带钥匙的安全锁来检测门的状态.该门打开时，机器人急停，防止发生人员伤害事故[8].

6 结语

基于6轴关节型搬运机器人的柔性加工单元，是装备制造业从传统生产模式向智能制造转型的第一步.在此基础上按照“设备自动化+生产精益化+管理信息化+人工高效化”的构建理念，将数控加工设备、工业机器人、检测设备、数据信息采集管控设备等典型加工制造设备，集成为智能制造单元“硬件”系统，结合数字化设计技术、智能化控制技术、高效加工技术、工业物联网技术、RFID数字信息技术等“软件”的综合运用，构成技术平台.技术平台具备零件数字化设计和工艺规划、加工过程实时制造数据采集、加工过程自动化、基于RFID加工状态可追溯以及加工柔性化等功能.本项目中，利用工业机器人科学布局“岛式”结构，运用总控PLC控制协调之间的交互信号处理、监控等，构成了适应于电机前端盖自动化生产的柔性加工单元，同时能自动实时进行刀补，有效解决了电机前端盖的加工、组装一体化生产工艺，缩短了产品生产周期，人工生产效率可由100个/d提升至400个/d，且提升产品合格率至99%以上，使其功能和应用价值更为凸显.