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技術的不斷進步以及自動化控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的工 業(yè)手工操作已經(jīng)難以適應當前企業(yè)發(fā)展的需求，工業(yè)自動化建設得到 了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)線中，應用自動化技術，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)濟效益及核心競爭 力起到至關重要的作用?；诖?，筆者進行了相關介紹。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，機床均為手 動開關門，部分機床系統(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)線設備進行功能及自動化改造，增加多關節(jié)機器人、 2D/3D 視覺拍照系統(tǒng)及行走導軌，增加生產(chǎn)線附屬設施，實現(xiàn)工件的 自動運轉(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 機器人 R2000iC/165F、一個機器人控制柜 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。電氣連接機器人控制柜與機器人進行接線（包括氣路的連接）及通信設置； 將所需的機床信號點（如開關門、程序啟動、報警等）采集后利用 cclink 模塊集成與總控進行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量也利用CCLINK進行集成與總控制柜通信連接; 然后完成總控與機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 視覺的應用。為實現(xiàn)對托盤上毛坯的準確抓取，我 們利用FANUCiRVision3DL視覺系統(tǒng)，對托盤中的產(chǎn)品進行特征識別， 依據(jù)基準特征進行校正，對工件進行準確定位，確保工件抓取時準確 可靠。 OP15 工件在安裝時需要有準確的角向定位要求，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）三指氣動手抓設計。為同時滿足產(chǎn)品大小端的抓取，避免 更換手抓或者設計雙手抓浪費時間

5、、占空間的問題，將手抓設計成階 梯型手抓，手抓帶斷氣保持，保證抓取的安全。抽檢臺的設計方案 根據(jù)工件兩種放置狀態(tài)設置兩個抽檢臺，并可沿導軌往復運動。操作人員在圍欄外選取需抽檢機床（工序）的開關，機器人將自動在 該機床（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，機器人會自動將 產(chǎn)品送回生產(chǎn)線進行后序加工。機床、工裝改造（1）自動門的改造?，F(xiàn)場的數(shù)控機床PMC具備自動門功能，根 據(jù)機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 找開關門的M代碼指令。取機床兩個輸入X分別接在開門按鈕和關 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，在機床上安裝氣缸及接線，接入機床 對應的Y輸出。同時增加門開到位檢測的控制。自動門自動運行通過 執(zhí)行M代碼實現(xiàn)，同時人工可以通過開關門按鈕對其控制。（2）液壓工裝的改造。對 OP15 序工裝進行液壓改造，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 寫入機床PMC，實現(xiàn)氣密檢測及報警，保證定位可靠。（3）機床底液管路改造。為清理工裝切屑，將機床底液管路改 造，通過管路引到機床側(cè)壁上，對工件、工裝進行沖刷，并通過機底 液開關 M 代碼集成到加工程序中來控制。2.7 機器人搬運系統(tǒng)流程 整個生產(chǎn)線進行初始化確認，從托盤利用視覺

7、系統(tǒng)進行拍照抓取 毛坯，放置轉(zhuǎn)換臺，機器人讀取各機床的上料、下料信號，并通過節(jié) 拍判斷，選擇對哪臺機床進行上料、下料。其中工件OP10到OP15 時，再次進行拍照，識別角向特征，準確抓取。當需要抽檢時，控制 柜發(fā)出具體工位抽檢信號，機器人執(zhí)行抽檢程序，抽檢完成后，工件 被放回，繼續(xù)加工。機器人搬運系統(tǒng)流程如圖1所示，整個設計方案實現(xiàn)了機器人與 機床、輸送線及相關附件的基本通信，滿足了機器人對工件的定位、 翻轉(zhuǎn)、抓取、抽檢及準確上下料，構(gòu)成了一套完整的、響應迅速的搬 運系統(tǒng)。圖1在線檢測技術在自動線改造中的應用基于宏程序的雷尼紹在線檢測技術的二次開發(fā)應用 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用還比較罕見，我們通過研究，對該系統(tǒng)進行了 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行修正。 該測量系統(tǒng)適用于工件的偏差值必須設定在公差范圍內(nèi)，修正的目標 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。這對自動線運轉(zhuǎn)造成一個較長的停機時間。利用宏程序?qū)⒓庸で皽y量改為加工

9、過程中的測量，即當前工件加 工、測量后，將測量結(jié)果與工件要求公差進行比較判斷，如果合格則 放行，程序結(jié)束。如果超差，雷尼紹（程序）會將差值進行自動補償， 并對該尺寸自動進行二次加工，然后針對該尺寸進行二次測量，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，每把刀的補償值是通過人工試切，然后對試切 工件進行測量計算，補償才能完成，此方式容易造成工件的報廢。當 更換刀具時，原則上這項工作要

10、重新進行，先試切、再刀補。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，造成大量停機時間， 影響整條線的搬運效率。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，再加工，便能得到 準確的刀具補償值。此次雷尼紹測量系統(tǒng)在數(shù)控立車上的應用并對其二次開發(fā)，實現(xiàn) 了對該技術的一個突破，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償技術的二次開發(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?；魇靠刂葡到y(tǒng)能夠準確記錄信號

11、觸發(fā)位置，通過 CPU 進行處 理，得到測量數(shù)值。由于整個基恩士測筆與機床相互獨立，無法實現(xiàn) 在線檢測后的刀具自動補償，為此需要建立測筆與機床間的通信，實 現(xiàn)自動補償。實現(xiàn)方式：通過增加小型工控機，設計開發(fā)測量軟件，讀取測筆 的測量值，并通過運算，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品尺寸，利用 CF 卡轉(zhuǎn)網(wǎng)口，實現(xiàn) 工控機與機床的通信，使之既能讀取機床的模態(tài)變量又能對機床的宏 變量地址進行寫入，實現(xiàn)雙向傳輸。在此基礎上與機床宏程序及總控 相配合，實現(xiàn)對產(chǎn)品的在線檢測、自動補償以及檢測頻次的設置。刀具管理系統(tǒng)在自動線改造中的應用 為解決項目實施中刀具更換頻繁，導致人為干預較多，將刀具壽 命管理系統(tǒng)應用于自動化改造。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到預設值后，系統(tǒng)接受信號，同時調(diào)用該 刀組內(nèi)的備用刀具，當?shù)督M內(nèi)刀具壽命全部達到時，即已使用刀具數(shù) 達到刀組預設刀具數(shù)時，機床 PMC 報警。完成刀具壽命管理程序后，刀組及相應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