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【2020-06】基于工業(yè)機(jī)器人的 NC 機(jī)床上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真【7張CAD+說明書】,2020-06,7張CAD+說明書,【2020-06】基于工業(yè)機(jī)器人的,NC,機(jī)床上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真【7張CAD+說明書】,2020,06,基于,工業(yè),機(jī)器人,機(jī)床,上下,系統(tǒng),設(shè)計(jì),仿真,CAD,說明書

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摘要隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到臨，智能制造行業(yè)，人工智能行業(yè)、機(jī)器人制造行業(yè)都有了突破性的發(fā)展，以智能工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為支撐的智能制造產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，智能化水平已經(jīng)逐漸成為衡量國家科技發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)。能自動(dòng)上下料的機(jī)械手裝置已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的重要方面。在我國政府的大力支持下，我國工業(yè)加工水平有了很大提高，加工速度和加工精度都得到了極大的改善，目前我國制造業(yè)門類多、規(guī)模大，工作強(qiáng)度高，并且工作環(huán)境危險(xiǎn)，人工進(jìn)行上下料存在一定的隱患，所以迫切需要工業(yè)機(jī)器人來代替人工完成這些工作。許多企業(yè)都采用自動(dòng)化的系統(tǒng)來完成生產(chǎn)工作，以此減少人工消耗，比如AGV輸送系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人配合使用完成自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)“無人工廠”的高效生產(chǎn)模式，將綠色生產(chǎn)融入生活。隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域?qū)I(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，自動(dòng)化的加工配合自動(dòng)化的上下料，既能高效的完成作業(yè)，又能同時(shí)保證生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。自動(dòng)化上下料機(jī)器人負(fù)責(zé)完成工件的裝卡、抓取、上下料、以及工藝翻轉(zhuǎn)等生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，不僅能夠高效完成，而且可以極大的節(jié)省人工成本。自動(dòng)化上下料機(jī)器人的面世，對(duì)工業(yè)發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用，改善了產(chǎn)品質(zhì)量水平，提高了企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模。本文以機(jī)械手上下料系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線仿真進(jìn)行了研究，分析設(shè)計(jì)針對(duì)于板件的夾具，以及夾具的控制方式，研究機(jī)械手上下料的控制時(shí)序，以及機(jī)床、物料臺(tái)、AGV小車、工業(yè)機(jī)械手的布局。然后利用所選的PLC，結(jié)合控制系統(tǒng)的各種要求，對(duì)機(jī)械抓手進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)基于NC機(jī)床的自動(dòng)化上下料系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：上下料系統(tǒng) PLC 工業(yè)生產(chǎn)線仿真AbstractWith the advent of the Internet era, the smart manufacturing industry, artificial intelligence industry, and robot manufacturing industry have made breakthrough developments. The smart manufacturing industry supported by smart industrial robot technology is booming, and the level of intelligence has gradually become a measure of national technology. Standards of development level. Manipulators that can automatically load and unload materials have become an important aspect of the application of robotics in industry. With the strong support of the Chinese government, Chinas industrial processing level has been greatly improved, and processing speed and processing accuracy have been greatly improved. At present, Chinas manufacturing industry has many categories, large scale, high work intensity, and dangerous working environment. There are certain hidden dangers in manual loading and unloading, So there is an urgent need for industrial robots to replace manual work. Many enterprises use automated systems to complete production work, in order to reduce labor consumption. For example, AGV conveyor system and industrial robots are used together to complete the realization of automation, and realize the efficient production mode of unmanned factory on the actual production line. Production is integrated into life. With the improvement of factory automation level, there are more and more applications of industrial robots in the field of CNC machine tools. Automated processing and automatic loading and unloading can not only complete operations efficiently, but also ensure stable production quality. The automatic loading and unloading robot is responsible for completing the production preparation links such as card loading, grasping, loading and unloading, and process turnover, which can not only be completed efficiently, but also greatly save labor costs. The advent of automated loading and unloading robots has greatly promoted industrial development, improved the quality of products, and increased the production scale of enterprises.This article takes the robotic unloading system as the research object, researches on the industrial automation production line simulation, analyzes and designs the fixtures targeted at the board, and the control method of the fixture, studies the unloading control timing of the robotic hand, and the machine tool, material table, AGV car 3. The layout of industrial manipulators. Then use the selected PLC, combined with the various requirements of the control system, to design the control of the mechanical gripper. Finally realize the automatic loading and unloading system based on NC machine tool.Keywords: loading and unloading system; PLC; industrial production line simulation目 錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 引言11.2相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3主要國家研究現(xiàn)狀21.4課題的來源與研究意義4第二章 機(jī)械手上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及總體方案擬定52.1機(jī)械手上下料系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)52.1自動(dòng)化上下料系統(tǒng)主要模塊分析72.2.1 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能分析72.2.2吸盤夾爪結(jié)構(gòu)及功能分析82.2.3 工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與分析92.2.4 CNC機(jī)床工件夾具結(jié)構(gòu)分析102.2.5 輔助檢測(cè)系統(tǒng)的介紹與說明112.2.6 機(jī)械手選型132.2.7 夾具吸盤吸力校核16第三章 抓具電路控制方案設(shè)計(jì)173.1 TIA S7-1500系列PLC介紹173.2 S7-1500 PLC模塊介紹173.3 控制電路設(shè)計(jì)183.4 抓具PLC程序說明20第四章 輔助功能234.1 RenishawTRS2刀具破損在線檢測(cè)系統(tǒng)234.2 加工殘屑檢測(cè)系統(tǒng)234.3 超聲波洗件池25第五章 方案材料預(yù)算27第六章 結(jié)論與展望28致 謝29參考文獻(xiàn)30附錄131III第一章 緒論1.1 引言隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，勞動(dòng)力成為限制生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，18世紀(jì)由于蒸汽機(jī)的發(fā)明解放了生產(chǎn)力，第一次由機(jī)器取代人力，把機(jī)械帶入了社會(huì)，從此以后不斷朝著簡(jiǎn)化人力的方向發(fā)展，如今21世紀(jì)在計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展背景下，依靠計(jì)算機(jī)發(fā)展的智能生產(chǎn)也成為了主流，現(xiàn)如今工業(yè)化機(jī)器人的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)成為新的科技水平評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于自動(dòng)化的加工設(shè)備來說，自動(dòng)化上下料系統(tǒng)則是最好的搭檔，尤其是當(dāng)面對(duì)工作大量重復(fù)，工作環(huán)境危險(xiǎn)，工作強(qiáng)度大的人工環(huán)節(jié)，用工業(yè)機(jī)器人代替人的勞動(dòng)不僅能保證安全生產(chǎn)，又能提高生產(chǎn)的效率，和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。在自動(dòng)化加工機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的整體化設(shè)計(jì)方案中，可以實(shí)現(xiàn)“無人化工廠”。2017年的天貓無人超市就采用了這個(gè)思想，利用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)補(bǔ)貨，以及現(xiàn)代的互聯(lián)網(wǎng)支付方式來實(shí)現(xiàn)無人超市，只需要很少的人力，就可以保障超市的正常運(yùn)行。生產(chǎn)線上的無人化工廠則可以由AGV小車，工業(yè)機(jī)器人，自動(dòng)化機(jī)床的配合來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)化上下料系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人來替代傳統(tǒng)人工操作，自動(dòng)完成加工中心或CNC機(jī)床上的抓取任務(wù)，可以自動(dòng)上下料，裝卡工件，以及工件轉(zhuǎn)序和工件的工藝翻轉(zhuǎn)等加工準(zhǔn)備任務(wù)，能有效的提高生產(chǎn)效率并且節(jié)約勞力成本1。工件的上下料和裝夾是許多加工中不可避免的重要環(huán)節(jié)，他會(huì)影響整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，一般要消耗大量的人力資源，但是由于工業(yè)機(jī)器人的誕生，就可以很好的解決這個(gè)問題。國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）今天在上海工博會(huì)上發(fā)布了最新的全球機(jī)器人統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從大類看，工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人依舊是分列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。根據(jù)2019年IFR（國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)）的統(tǒng)計(jì)，發(fā)布了2018年的全球銷售數(shù)據(jù)，全球工業(yè)機(jī)器人的熱度不斷增加，在2018年達(dá)到了43萬臺(tái)，突破了全球工業(yè)機(jī)器人的歷史銷售記2，同比去年增幅6%，并且做出了預(yù)估性的判斷，猜測(cè)到2022年時(shí)全球工業(yè)機(jī)器人行業(yè)需求將大量增長，預(yù)計(jì)達(dá)到59萬臺(tái)的全球年需求量，平均年增長為12%。在全球工業(yè)機(jī)器人的消費(fèi)地區(qū)中，亞洲仍讓為工業(yè)機(jī)器人的主要銷售地區(qū)，尤其是中國，目前中國處于工業(yè)快速發(fā)展的階段，工業(yè)機(jī)器人不斷融入生產(chǎn)加工，在2018年時(shí)銷售量達(dá)到15萬臺(tái)，時(shí)日本同年的三倍。從產(chǎn)品的去處統(tǒng)計(jì)出，工業(yè)機(jī)器人主要用在汽車、金屬加工、電器制造等行業(yè)中，并且需求還在逐漸增加 。自動(dòng)化制造上下料技術(shù)開創(chuàng)了工業(yè)的新模式，對(duì)工業(yè)發(fā)展起到推動(dòng)作用，全世界對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求都在逐步提升。1.2相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手安扎不同的用途大致分為3類，第一類為操作機(jī)，是指用于完成某種特定的作業(yè)抓手，例如鍛壓操作機(jī)，焊接操作機(jī)等。第二類為通用機(jī)械手，它的普適性能更好，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合不同的需求編寫控制程序，這類機(jī)器人主要分為直角坐標(biāo)系式，球坐標(biāo)系式的，最常用的是直角坐標(biāo)式的，基本上由多個(gè)伺服電機(jī)組成的多軸機(jī)器人，工業(yè)上常用6軸機(jī)器人，大致由基座，各部分旋轉(zhuǎn)軸以及抓手構(gòu)成，軸數(shù)越多，在空間中操作越靈活，更具有通用性，只需要在抓手處安裝不同的夾具，即可配合不同的工作參加生產(chǎn)，目前主要用于繁重的體力勞動(dòng)中或者帶有危險(xiǎn)性的工作環(huán)境中。第三類為專用機(jī)械手，它不是一種獨(dú)立裝置，而是附屬于于生產(chǎn)線中的，常見的用于軸類零件的生產(chǎn)中，不具備通用性，但可以更好的完成特定的工作。1.3主要國家研究現(xiàn)狀(1)日本經(jīng)過第二次世界大戰(zhàn)后的日本，經(jīng)濟(jì)走向低迷，于是出現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與嚴(yán)重勞動(dòng)力不足的矛盾。而正在此實(shí)，美國制造出的工業(yè)機(jī)器人為日本勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的問題帶來了解決的希望，于是在日本政府的扶持下在1967年川崎重工公司從美國引入了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，并嘗試生產(chǎn)機(jī)器人，并以很快的速度在1968年制造出了第一代名為“尤尼曼特”的機(jī)器人。為日本接下來的機(jī)器人發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。美國研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人極大的舒緩了日本勞動(dòng)力不足的矛盾，受到了日本政府的大力扶持和日本企業(yè)的青睞，激發(fā)了企業(yè)自主生產(chǎn)機(jī)器人的熱情。政府還對(duì)中小企業(yè)提供低息資金，鼓勵(lì)日本企業(yè)家成立機(jī)器人的租賃公司，將采購回來的機(jī)器人租給企業(yè)使用，一方面能普及工業(yè)機(jī)器人，另一方面能為中小企業(yè)減少設(shè)備更新的成本，除此之外，政府還對(duì)購入的機(jī)器人采取價(jià)格補(bǔ)貼的扶持優(yōu)惠，并免費(fèi)對(duì)中小企業(yè)進(jìn)行機(jī)器人方面知識(shí)的技術(shù)指導(dǎo)和普及，種種政策下來，使日本的機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展，一躍成為機(jī)器人王國，從一開始的一代產(chǎn)品，到八十年代的各行業(yè)普及使用，日本的機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍。日本在機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展一直保持世界前沿水平令人矚目，在川崎一代機(jī)器人的短暫搖籃期之后，以極快的速度過度到了普及器，從此日本的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迎來了春天，大約在上世紀(jì)的80-90年代，日本的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展達(dá)到了這一時(shí)代的頂峰，然而好景不長，在上世紀(jì)的九十年代中期后，隨著北美和歐洲的逐漸崛起，工業(yè)機(jī)器人的主陣地又到了歐洲和北美，國際的市場(chǎng)格局漸漸發(fā)生變化。進(jìn)入本世紀(jì)初后，隨著全球工業(yè)機(jī)器人的需求普及，尤其是中國和韓國等迅速發(fā)展國家對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的需求量不斷增長使日本的智能機(jī)器人又重新注入了活力，使日本的工業(yè)機(jī)器人再次崛起。根據(jù)IFR（國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)）統(tǒng)計(jì)，在2014年全球市場(chǎng)中的日本機(jī)器人份額占比排名第一，銷售量大約為2.8萬臺(tái)，安裝和生產(chǎn)總量達(dá)到12.7萬臺(tái)，日本的工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在電子和汽車領(lǐng)域，比率超過了60%，也可以說汽車和電子產(chǎn)業(yè)是推進(jìn)日本機(jī)器人技術(shù)推進(jìn)的引擎，其次是機(jī)械制造行業(yè)，占比約為27%，最后是塑料制品工業(yè)，占比約10%，并且在2014年日本已經(jīng)成為了機(jī)器人出口大國，面對(duì)周圍國家的迅速發(fā)展，尤其是中國的機(jī)器人需求量大幅增加，也刺激了日本國內(nèi)的機(jī)器人行業(yè)發(fā)展。(2) 美國美國是世界上第一個(gè)制造出工業(yè)機(jī)器人的國家，在1962年研發(fā)出了世界上首個(gè)工業(yè)機(jī)器人，也正是因?yàn)檫@臺(tái)機(jī)器人的出現(xiàn)，讓深陷勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的日本看到了曙光，在上世紀(jì)的60年代到70年代之間，美國由于國內(nèi)的失業(yè)率高達(dá)6%，勞動(dòng)力過剩，為了防止機(jī)器人的大量使用增加失業(yè)率，所以并沒有將工業(yè)機(jī)器人作為主要的研究對(duì)象，只有少數(shù)幾所大學(xué)和企業(yè)從事相關(guān)的初步研究工作，于是很快被日本趕超，日本以極快的速度引入了美國的機(jī)器人技術(shù)，并且大量普及應(yīng)用，使得機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展，這才讓美國有了緊迫感，將機(jī)器人作為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。到了上世紀(jì)70-80年代，美國開始重視機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，但這次的研發(fā)路線并不是傾向于民間使用，而是主要為了航空，航海，以及核工程使用的高端機(jī)器人，在社會(huì)上的企業(yè)使用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及日本，機(jī)器人技術(shù)的普及效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如日本，此實(shí)日本已經(jīng)成為了世界上的機(jī)器人王國，美國意識(shí)到應(yīng)該擴(kuò)大機(jī)器人的使用領(lǐng)域，于是為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)階段做準(zhǔn)備，此實(shí)處于機(jī)器人發(fā)展的第二階段。之后到了上世紀(jì)的80年代到90年代，這是美國機(jī)器人發(fā)展的第三階段，美國開始重視工業(yè)機(jī)器人的普及，改變了上一階段機(jī)器人主要使用者是政府的局限性，企業(yè)的機(jī)器人使用量逐漸上升，并且隨著工業(yè)的發(fā)展，許多功能簡(jiǎn)單的機(jī)器人逐漸失去了市場(chǎng)，美國發(fā)揮本土的計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出了觸覺，視覺，以及多種傳感器的二代機(jī)器人，這樣才獲得了與日本競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)，此實(shí)日本由于歐美市場(chǎng)的崛起，走入了低迷，美國開始奮起直追。美國機(jī)器人技術(shù)的崛起時(shí)在發(fā)展的第四階段，也就是上世紀(jì)的九十年代以后，美國的計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛躍提升，微軟，蘋果等互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)巨頭以及社交軟件Facebook，對(duì)于圖像識(shí)別，視覺識(shí)別等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，并將這些技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)融合，使得此實(shí)的美國機(jī)器人技術(shù)更加先進(jìn)、全面，并在軍事，航空，汽車等領(lǐng)域中普遍應(yīng)用。美國是機(jī)器人的誕生地。早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工 業(yè)機(jī)器人。比起號(hào)稱機(jī)器人國的日本起步至少要早五、六年。20世紀(jì)60年代到70年代期間，美國的工業(yè)機(jī)器人主要立足于基礎(chǔ)研究，只幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了相關(guān)的研究工作。隨著日本工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,美國感到形勢(shì)緊迫，才開始真正重視機(jī)器人。美國憑借帶有視覺、力覺的第二代機(jī)器人的研發(fā)生產(chǎn)，很快占領(lǐng)了國60%的機(jī)器人市場(chǎng)。盡管在工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展上，國走了-條重理論研究，輕應(yīng)用開發(fā)的曲折道路,但與其他國家相比，美國機(jī)器人的技術(shù)更加全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。此外，美國機(jī)器人的智能技術(shù)發(fā)展也很快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，已實(shí)際應(yīng)用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)等方面3。根據(jù)IFR的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，2010年時(shí)，全球的工業(yè)機(jī)器人密度排行里，日本還是以306臺(tái)/萬人居于世界第一，第二是韓國的287臺(tái)/萬人，而美國則是排在第八名約為140臺(tái)/萬人，使用率和日本相比仍有較大差距。(3) 韓國根據(jù)IFR（國際機(jī)器人聯(lián)盟）發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，韓國在2017年的機(jī)器人密度排名為世界第一位，達(dá)到了710臺(tái)/萬人的數(shù)量，而緊隨其后的是新加坡的650臺(tái)/萬人和德國的320臺(tái)/萬人，韓國已經(jīng)超出第三名一倍多的數(shù)量，機(jī)器人密度最低的國家是印度僅有3臺(tái)/萬人，而當(dāng)年的世界平均機(jī)器人密度為85臺(tái)/萬人。雖然韓國并不是第一批進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代的國家，但它的發(fā)展速度非常驚人，這里一個(gè)非常重要的原因是政府的重視和推廣，在上世紀(jì)90年代初次接觸機(jī)器人的韓國，逐漸把機(jī)器人作為國家的一個(gè)重要發(fā)展方向，到了2004年政府推動(dòng)了“無所不在的機(jī)器人”項(xiàng)目，更是將韓國的機(jī)器人行業(yè)帶向了高速發(fā)展的時(shí)代，到2012年時(shí)，韓國已經(jīng)將機(jī)器人作為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，并發(fā)布了機(jī)器人未來戰(zhàn)略2022的計(jì)劃，目的在于再次推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，到2018年時(shí)韓國已經(jīng)從機(jī)器人進(jìn)口大國，變成了出口大國，當(dāng)年出口量達(dá)到70億美元，占據(jù)了全球市場(chǎng)的五分之一份額，已經(jīng)成為了全球工業(yè)機(jī)器人的第四市場(chǎng)。(4) 德國德國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展在美國和日本之后，但是發(fā)展速度非?？?，很快就達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，作為老牌的工業(yè)國家，對(duì)于機(jī)器人的發(fā)展也是一絲不茍，在上世紀(jì)七十年代，德國工業(yè)機(jī)器人啟蒙的階段，德國政府在推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展上起到了重要作用，德國政府發(fā)布了“改善勞動(dòng)條件計(jì)劃”，在一些有危險(xiǎn)、有害的工作環(huán)境崗位上，必須用機(jī)器人取代人力，最大力度保護(hù)勞動(dòng)者的安全。而我們耳熟能詳?shù)牡聡I(yè)4.0計(jì)劃，則是將信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)融入制造業(yè)，豐富工業(yè)機(jī)器人與外界信息的聯(lián)系，創(chuàng)造智能生產(chǎn)的新模式。德國是全球工業(yè)機(jī)器人的第五大市場(chǎng)，同時(shí)也是歐洲最大的機(jī)器人市場(chǎng)，主要推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的是汽車產(chǎn)業(yè)，在2014年時(shí)，德國的工業(yè)機(jī)器人密度為280臺(tái)/萬人，是當(dāng)時(shí)英國的四倍，法國的兩倍。1.4課題的來源與研究意義在生產(chǎn)線中的每次工裝，都要保證一定的定位精度，以及上下料的一致性，這對(duì)于傳統(tǒng)的人力上下料來說，不易做到，并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，隨著CNC機(jī)床的發(fā)展與普及，高速的加工方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，為了適應(yīng)機(jī)床的高效率，高精度加工要求，發(fā)展與其配合的自動(dòng)上下料系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)3。隨著CNC機(jī)床向著高精度高速度方向的不斷突破，人工上下料漸漸無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量和精度，所以需要自動(dòng)上下料系統(tǒng)來解放人力。本文的研究對(duì)象是針對(duì)板形件的自動(dòng)化上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第二章 機(jī)械手上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及總體方案擬定根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)從輸送線上自動(dòng)取料件放到CNC機(jī)床中，同時(shí)將完成加工的工件清理表面加工殘屑之后從CNC機(jī)床中放回輸送線路中，好進(jìn)行下一次的加工。本章主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要，完成機(jī)械手上下料系統(tǒng)的總體機(jī)械方案設(shè)計(jì)，然后對(duì)于每一個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)要求和總體動(dòng)作流程進(jìn)行分析，最終確定機(jī)械手上下料方案。2.1機(jī)械手上下料系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際生產(chǎn)情況，機(jī)械手自動(dòng)化上下料系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料并將CNC機(jī)床加工完成的工件取出，放回輸送線路上，其主要流程如圖2-1所示:所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)化上下料系統(tǒng)包括上下料功能，工件清洗功能，以及輸送機(jī)構(gòu)，還有安全防護(hù)門，等基本的功能，設(shè)計(jì)要求如下4：1. 物料智能轉(zhuǎn)運(yùn)：集成板生產(chǎn)區(qū)域能實(shí)現(xiàn)來料自動(dòng)轉(zhuǎn)輸?shù)叫枨蠊の?，生產(chǎn)完成自動(dòng)下轉(zhuǎn)下序，成品自動(dòng)存放成品暫存區(qū)，整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。2. 工件夾緊定位：夾具能自動(dòng)對(duì)正并穩(wěn)定夾緊，不能與刀具干涉，整個(gè)過程不能碰傷工件。3. 操作方便快捷，降低勞動(dòng)力投入，由原來 2 人減少到 1 人（非全工時(shí)），工人只負(fù)責(zé)備料、成品去毛刺、更換刀具和成品周轉(zhuǎn)工作。4. 夾持機(jī)構(gòu)和定位夾緊機(jī)構(gòu)通用程度高，能同時(shí)滿足目前 6 種產(chǎn)品或更多產(chǎn)品的要求。5. 安全性能高，能保證生產(chǎn)環(huán)境安全。機(jī)械手動(dòng)作覆蓋的區(qū)域應(yīng)單獨(dú)隔離，避免人員誤入造成人身事故，必要的入口處應(yīng)設(shè)置保護(hù)裝置。圖2-1 CNC機(jī)床上下料流程圖根據(jù)以上要求，該自動(dòng)化上下料系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成，即上下料機(jī)械手、AGV輸送機(jī)構(gòu)、CNC機(jī)床，在機(jī)床和AGV料架之間需要機(jī)械手操作，在工件洗件池與AGV料架之間也需要機(jī)械手操作。所以自動(dòng)化機(jī)械手上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案如圖2-2所示：圖2-2 機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)圖由上到下依次為CNC機(jī)床、上下料機(jī)械手、AGV料架，三個(gè)部分作為相對(duì)獨(dú)立的整體，互相配合工作。由左至右是CNC機(jī)床、工件清洗池、抓具架。整個(gè)上下料系統(tǒng)主要?jiǎng)幼髁鞒虉D如圖2-3所示：上料時(shí)，機(jī)械手1將毛坯夾緊回轉(zhuǎn)180度，機(jī)床防護(hù)門打開并運(yùn)送到機(jī)床1，機(jī)床1檢測(cè)工件表面是否有加工殘屑，如果有則啟動(dòng)機(jī)床內(nèi)的壓縮氣槍對(duì)表面進(jìn)行清理，加工完成后防護(hù)門打開，再由機(jī)械手1將工件取出，機(jī)械手延7軸平移放入工件清洗池中，清洗完成后將工件放到AGV料架2上，以便下一個(gè)工序取用。若工件表面無殘屑則直接進(jìn)行加工。在同一工序中可由多個(gè)機(jī)械手和多臺(tái)機(jī)床配合同時(shí)工作，最后將同一工序的工件由AGV小車運(yùn)送到第二工序處，繼續(xù)加工。上下料機(jī)械手執(zhí)行的動(dòng)作有：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平移運(yùn)動(dòng)、抓手的松開與夾緊5。圖2-3 自動(dòng)化上下料系統(tǒng)工藝流程圖根據(jù)機(jī)械手上下料的實(shí)際工藝流程以及工作時(shí)序安排、工件重量等因素，所選機(jī)械手的各項(xiàng)動(dòng)作參數(shù)如下:表2-1 機(jī)械手參數(shù)2.2 自動(dòng)化上下料系統(tǒng)主要模塊分析2.2.1 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能分析輸送機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是把零件送到加工單元，由AGV小車及料架組成。如圖2-4所示,主體為一個(gè)自動(dòng)循軌的車體，主要由接近開關(guān)和停止器以及料架組成，料架則為可以拆卸的活動(dòng)折架組成，可拆性增加了對(duì)應(yīng)不同尺寸和不同類型的工件的適應(yīng)性，可以讓輸送機(jī)配合多種不同的工件工作，工件的輸送主要是依靠斜架和重力以及底部的摩擦力來驅(qū)動(dòng)，停止器主要用于輸送機(jī)到達(dá)指定位置，由電機(jī)減速機(jī)、底座、齒輪等部件組成。本裝置結(jié)構(gòu)較緊湊、占地少，實(shí)用性較強(qiáng)；動(dòng)作可靠性更強(qiáng)，停止器主要是實(shí)現(xiàn)定位部分定位以及人機(jī)交互上下料的動(dòng)作需要。接近開關(guān)是用來對(duì)各個(gè)工位進(jìn)行檢測(cè)的裝置，確保工件準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，安全的運(yùn)行。工件在輸送線上的工作流程為：先由人工將工件毛坯放入AGV小車料架上，由AGV小車送至指定工位，停止器將小車停下后由機(jī)械手識(shí)別工件進(jìn)行抓取，抓具上的接近開關(guān)來判斷是否正確抓取工件6。機(jī)械手上料完成后將工件放入下一步工序的料架車中，然后再從本工序料架車中重新抓取一個(gè)新件放入機(jī)床中進(jìn)行加工，最后將成品由人工放入存儲(chǔ)區(qū)域中，空載料架車再回到原點(diǎn)由人工裝載工件毛坯，以此實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作。輸送機(jī)構(gòu)的工作流程圖如圖2-5所示。圖2-4 AGV小車料架圖2-5 送料工作流程圖2.2.2吸盤夾爪結(jié)構(gòu)及功能分析由于生產(chǎn)件料為板型鋁件，吸盤夾爪是為了解決自動(dòng)化上下料系統(tǒng)系統(tǒng)高精度的控制要求，不易使工件變形且安全的一種夾具，主要完成板料的抓取工作，有夾緊、松開兩種狀態(tài)，如圖2-6所示，為吸盤夾爪的結(jié)構(gòu)圖方案，主要由吸盤，接近開關(guān)，側(cè)邊夾爪，氣爪安裝座組成，當(dāng)機(jī)械手識(shí)別工件位置之后，機(jī)械手自動(dòng)靠近工件，當(dāng)觸發(fā)接近開關(guān)時(shí)，吸盤吸住工件，同時(shí)側(cè)邊夾爪夾緊，防止工件在旋轉(zhuǎn)時(shí)甩落。夾緊部分由四個(gè)伸縮氣缸和夾頭組成，當(dāng)工件被吸住之后，通過氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)側(cè)邊夾爪的開合，通過側(cè)邊夾爪可以自動(dòng)調(diào)節(jié)不同尺寸的板型件的抓取，為生產(chǎn)加工提供了更好的適應(yīng)性。夾具座則是安裝在機(jī)械手上，與機(jī)械手配合使用。夾具工作順序圖如圖2-7所示。圖2-6 吸盤夾爪結(jié)構(gòu)圖2-7 夾具工作順序圖2.2.3 工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與分析當(dāng)工件從一個(gè)工位轉(zhuǎn)入下一個(gè)工位時(shí)，如果需要轉(zhuǎn)換加工面，就需要一個(gè)工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)，工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)與AGV小車的料架結(jié)構(gòu)相同，但增加了工件支架之間的距離，留出空間讓機(jī)械手從反面取件，實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)。機(jī)械手從工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)上取件，放入對(duì)應(yīng)工藝的CNC機(jī)床中，加工完成后根據(jù)需要，若還需要翻轉(zhuǎn)工件，則機(jī)械手取出并繼續(xù)放入下一個(gè)工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)中，如若不需要翻轉(zhuǎn)，則放入AGV小車料架中，進(jìn)入下一個(gè)加工單元。工藝中轉(zhuǎn)架如圖2-8所示:圖2-8 工藝中轉(zhuǎn)臺(tái)2.2.4 CNC機(jī)床工件夾具結(jié)構(gòu)分析為了使機(jī)械手上下料系統(tǒng)與CNC機(jī)床配合的更加高效，設(shè)計(jì)一個(gè)專用夾具可以保證操作迅速、方便、高效的生產(chǎn)速度和生產(chǎn)效率。夾具主要由夾具體、夾緊裝置組成，定位元件組成。其中定位元件能有效的保證工件在加工過程中的相對(duì)位置不發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到加工過程中刀具與工件相對(duì)位置正確的目的。夾緊裝置使用來保證在刀具外力作用下工件仍然能保持在正確的機(jī)床加工位置，不發(fā)生偏移，從而來保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量7。夾具體則是作為一個(gè)載體，連接夾具上的各部分元件，使其成為一個(gè)完成的整體。本方案中采用吸盤夾具來和機(jī)械夾爪來實(shí)現(xiàn)工件的裝夾，如圖2-9所示，主體為一個(gè)真空吸盤，X、Y方向的定位由四個(gè)機(jī)械夾爪組成，中心為驅(qū)動(dòng)機(jī)械夾爪的驅(qū)動(dòng)盤，通過不同的驅(qū)動(dòng)方向來控制機(jī)械夾爪的夾緊和松開兩個(gè)動(dòng)作，Z方向的定位則是由真空吸盤來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品加工出工藝孔之后，漲緊套來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定位，以及限制產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)自由度。圖2-9 機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)機(jī)床夾具的工作流程圖見附錄1所示，當(dāng)沒有工件放入夾具時(shí)，夾爪處于未夾緊狀態(tài)，工件放入機(jī)床后，中部夾爪的驅(qū)動(dòng)盤啟動(dòng)，將兩個(gè)方向的四個(gè)夾爪夾緊，夾爪自動(dòng)將工件對(duì)中夾緊工件，夾緊后發(fā)出信號(hào)，中部的真空吸盤工作，將工件吸緊，吸住工件后夾爪放松，銑刀開始銑工件四周輪廓，銑完四周輪廓之后對(duì)中夾爪再次最終確保加工精度，在對(duì)中機(jī)構(gòu)夾緊的情況下加工四個(gè)定位孔，四個(gè)定位孔加工完畢之后，底部的四個(gè)漲緊套伸出進(jìn)行加工精定位，定位完成后對(duì)中機(jī)構(gòu)放松，開始加工工件表面，工序完成后，漲緊套回縮，真空吸盤放松，機(jī)械手將工件從CNC機(jī)床中取出并放入AGV料架，由輸送機(jī)構(gòu)送入下一個(gè)加工單元。2.2.5 輔助檢測(cè)系統(tǒng)的介紹與說明CNC機(jī)床的特點(diǎn)之一就是它的高效性，但是當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)，加工零件就意味著需要檢測(cè)零件，會(huì)伴隨大量的檢測(cè)任務(wù)，例如工件編程原點(diǎn)測(cè)定，首件工件檢測(cè)，刀具檢測(cè)等。目前主要的檢測(cè)手段大致分為三類：離線檢測(cè)、在線檢測(cè)、手工檢測(cè)。其中在線檢測(cè)對(duì)于生產(chǎn)過程中的幫助最大，在線檢測(cè)也稱為實(shí)時(shí)檢測(cè)，是在加工過程中對(duì)工件位置以及刀具做出實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并且根據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出相應(yīng)的處理。閉環(huán)在線檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠更好的保證CNC機(jī)床的精度，改善機(jī)床的性能，提高生產(chǎn)效率4。在線監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)的檢測(cè)生產(chǎn)情況，如果將CNC機(jī)床與在線檢測(cè)結(jié)合，就能讓工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決，避免造成更大的損失。根據(jù)抽煙調(diào)查，我國因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量不合格問題而引起的返修、次品、廢品等問題，所帶來的經(jīng)濟(jì)損失大約為產(chǎn)值的10%，而實(shí)時(shí)的檢測(cè)就能改善這個(gè)問題，它既能節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間，又可以使產(chǎn)品質(zhì)量提高，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)及時(shí)修正系統(tǒng)誤差，及時(shí)改變機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)，更好的保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。在線測(cè)量系統(tǒng)工作原理：通過計(jì)算機(jī)中的輔助編程系統(tǒng)自動(dòng)生成檢測(cè)程序，然后使測(cè)頭按照程序規(guī)定路徑移動(dòng)，當(dāng)測(cè)球觸碰工件時(shí)發(fā)出觸碰信號(hào)，通過數(shù)控系統(tǒng)與測(cè)頭間的專用接口將觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給機(jī)床的控制系統(tǒng)，記錄該觸碰坐標(biāo)點(diǎn)。之后可對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作8。在本方案中采用的使用雷尼紹在線測(cè)量系統(tǒng)如下圖2-11所示圖2-11 雷尼紹測(cè)頭測(cè)頭的工作順序如下圖2-12所示。在完成工件的裝夾之后，測(cè)頭開始按照軌跡檢測(cè)工件所在坐標(biāo)位置，測(cè)頭觸碰四邊的對(duì)中夾爪，采集工件輪廓坐標(biāo)點(diǎn)，若在誤差范圍內(nèi)則取平均值對(duì)機(jī)床坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，若超出誤差范圍則重新裝夾對(duì)中。圖2-12 雷尼紹測(cè)頭工作流程2.2.6 機(jī)械手選型接下來我們要對(duì)垂直關(guān)鍵多軸機(jī)器人（Multi-axis）進(jìn)行討論。這種機(jī)器人有著非常大的適用范圍，從上、下料到碼垛，以及去毛刺、焊接、噴涂等工藝環(huán)節(jié)。現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人制造商基本上會(huì)對(duì)每種工藝環(huán)節(jié)都制定相應(yīng)的機(jī)器人方案，我們只需要根據(jù)工作環(huán)境和工作負(fù)載來選擇適合的機(jī)器人型號(hào)即可。機(jī)器人的選型原則如下9：(1)有效負(fù)載有效負(fù)載指的是機(jī)器人在其所工作環(huán)境中可以攜帶的最大負(fù)載，普通的工業(yè)機(jī)器可攜帶的負(fù)載量大約為3KG到1300KG不等。如果從事上下料工作的機(jī)器人，當(dāng)工件從一個(gè)工位到另一個(gè)工位時(shí)需要將機(jī)器人手爪重量和工件重量加到總的工作負(fù)載中。(2)自由度（軸數(shù)）機(jī)器人配置的電機(jī)數(shù)量直接關(guān)聯(lián)它的自由度，如果是對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)場(chǎng)合，例如從一條傳送帶取件放入另一條傳送帶那么簡(jiǎn)單的四軸機(jī)器人就可以完成。但是如果在一個(gè)狹小的工作環(huán)境中，而且機(jī)器人需要多次的轉(zhuǎn)動(dòng)那么6軸或7軸機(jī)器人就成為了最佳的選擇。軸數(shù)越多越能增加機(jī)器人的靈活性，這樣在改變工藝環(huán)節(jié)時(shí)也有很好的適應(yīng)性。接下來是各個(gè)軸的命名，基本上第一個(gè)關(guān)節(jié)（J1）是最接近于機(jī)器人底座的軸，再往上一次稱為J2,J3,J4以此類推，直到機(jī)器人的手腕末端為最后一個(gè)軸。例如圖2-13所示圖2-13 六軸機(jī)器人展示圖(3) 機(jī)器人的最大行程范圍當(dāng)評(píng)估機(jī)器上人是否能應(yīng)用于場(chǎng)合時(shí)，應(yīng)該要了解機(jī)器人的行程范圍時(shí)多少。選擇一個(gè)機(jī)器人不能僅僅參考有效載荷，還要確保它能夠到達(dá)工作指定地點(diǎn)，基本上每個(gè)機(jī)器人制造商都會(huì)給出機(jī)器人的動(dòng)作范圍，可以據(jù)此判斷是否滿足應(yīng)用條件，機(jī)器人所能到達(dá)的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)稱為垂直高度測(cè)量（Y），機(jī)器人手腕到底座中心水平方向上可以達(dá)到的最遠(yuǎn)中心距離成為最大水平動(dòng)作距離（X）。如圖2-14所示圖2-14 機(jī)器人行程范圍(4) 重復(fù)精度重復(fù)精度指的是機(jī)器人每次完成相同指令時(shí)，每次到達(dá)相同位置的能力，它的標(biāo)準(zhǔn)一般取決于使用的場(chǎng)合。一般在0.05到0.02之間。例如，如果需要機(jī)器人組裝一個(gè)電子線路板，就可能需要用到重復(fù)精度很高的機(jī)器人，但是在其他工序中選擇重復(fù)境地低一些的就可以了，比如打包，碼垛等可以節(jié)約成本。實(shí)際上，由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是空間運(yùn)動(dòng)，而不是線性運(yùn)動(dòng)，所以精度可以在公差半徑內(nèi)的球形空間范圍內(nèi)的所有位置。(5) 機(jī)器人載荷計(jì)算：工件尺寸規(guī)格：約為長（900-1000）寬（500-600）厚（10-25）mm，材質(zhì)為鋁。則按最大情況來核算，即長100060025時(shí)的重量。用CATIA軟件可算出M工件=40.65KG，M抓具=40.4KG。所以M總=M工件+M抓具=81.05KG圖2-15 數(shù)值計(jì)算利用CATIA可算出三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1=3.026Kg*m2，J2=4.667Kg*m2，J3=5.042Kg*m2根據(jù)此要求來核算機(jī)器人是否符合要求。本方案中選用的是IRB 6700 235型機(jī)器人 機(jī)器人基本參數(shù)如下表2-1所示：表2-1 IRB 6700-155基本參數(shù)機(jī)器人型號(hào)工作范圍負(fù)載重心手腕轉(zhuǎn)矩IRB 6700-2352.65m235KG300mm927 Nm防護(hù)等級(jí)整機(jī)IP 67軸數(shù)6安裝方式落地式軸運(yùn)動(dòng)工作范圍最大軸速J1+170to -170100/SJ2+85to -6590/SJ3+70to -18090/SJ4+300to -300170/SJ5+130to -130120/SJ6+360to -360190/S將基本信息輸入ABB-Payload工具中得出計(jì)算結(jié)果如圖2-16所示：圖2-16 載荷校核結(jié)果IRB 6700-235型機(jī)器人完全符合生產(chǎn)要求，并且有足夠的余量為后期新產(chǎn)品更新?lián)Q代，以及配合新的工具夾爪參與其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)服務(wù)。如圖2-17為該型號(hào)機(jī)器人外觀。圖2-17 IRB 6700-235示意圖2.2.7 夾具吸盤吸力校核吸盤是為了夾具接近工件時(shí)，吸附工件，以達(dá)到抓取的工件的目的。在抓取環(huán)節(jié)中涉及到水平起吊和垂直起吊，水平起吊的安全系數(shù)為4，垂直起吊的安全系數(shù)為8，所以在此我們以垂直起吊校核，工件平整，無通氣性，平坦度較好10。采用噴射式真空發(fā)生器時(shí)，壓強(qiáng)大致定為大致定為-60Kpa。本方案采用的時(shí)8個(gè)圓形吸盤來提供吸力，按照?qǐng)A形吸盤計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算：，代入工件質(zhì)量M=40.65Kg，安全系數(shù)S=8，數(shù)量n=8，真空壓力為P=-60Kpa，計(jì)算得出圓盤直徑為D=92mm，考慮到吸盤壓縮后實(shí)際吸附面積縮小，故采用D=100mm的真空吸盤。第三章 抓具電路控制方案設(shè)計(jì)根據(jù)以上的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析，自動(dòng)化上下料控制系統(tǒng)主要是對(duì)于機(jī)械手上的抓具進(jìn)行控制，其中主要包含的模塊是傳感器模塊和氣動(dòng)模塊，是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，PLC，即可編程邏輯控制器，是一種把計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)融為一體的自動(dòng)化控制裝置。它本身帶有數(shù)字和模擬或模擬I/0端口以及指令存儲(chǔ)器，可以完成數(shù)字和邏輯運(yùn)算以及位運(yùn)算，并且?guī)в杏?jì)時(shí)和定時(shí)功能。PLC控制器具有功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單直觀、通用性好、使用方便以及設(shè)計(jì)和調(diào)試周期短等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過PLC之間的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多輸入和輸出的控制。本方案擬采用PLC作為抓手的控制器，磁性開關(guān)、接近開關(guān)作為檢測(cè)設(shè)備，氣缸和吸盤作為動(dòng)作執(zhí)行元件，完成抓具部分的控制設(shè)計(jì)。3.1 TIA S7-1500系列PLC介紹西門子公司在2013年發(fā)布了S7-300/400的升級(jí)產(chǎn)品S7-1500，它除了繼承了上一代S7-300/400的優(yōu)良特性外，還融合了多種創(chuàng)新技術(shù)，極大的提高了生產(chǎn)效率，并且西門子的S7-1500可以與TIA博途軟件無縫銜接，極大提高了它的使用效率。目前屬于西門子的主推機(jī)型之一。S7-1500系列的優(yōu)點(diǎn)如下11：（1） 降低了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能與生產(chǎn)效率。（2） 降低程序的掃描周期，CPU處理位指令的時(shí)間最短可到1ns。（3） 集成運(yùn)動(dòng)控制，最高可控制128軸。（4） CPU配置顯示面板，可以無需連接計(jì)算機(jī)就可以檢查運(yùn)行錯(cuò)誤。（5） 集成了一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以通過網(wǎng)頁瀏覽器尋思查看診斷信息，對(duì)于維護(hù)十分方便。（6） 優(yōu)化的診斷機(jī)制，即使CPU處于停止?fàn)顟B(tài)下，也不會(huì)丟失報(bào)警信息和系統(tǒng)故障信息。3.2 S7-1500 PLC模塊介紹西門子S7-1500系列的PLC是模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的邏輯控制器，每個(gè)模塊都是相對(duì)獨(dú)立的，可以通過不同的組合進(jìn)行模塊擴(kuò)展，它主要由電源模塊、導(dǎo)軌模塊、中央處理器模塊、信號(hào)模塊、工藝模塊、通信模塊等組成12。接下來對(duì)不同模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。（1） 電源模塊，電源模塊是用來對(duì)CPU及其他的擴(kuò)展模塊提供+24VDC電源的。（2） CPU（中央處理器）模塊，提供PLC內(nèi)的各種邏輯計(jì)算主要包括以下幾種類型，緊湊型CPU（例如CPU1512C-1PN）、標(biāo)準(zhǔn)型CPU（如CPU1511-1PN）、分布式CPU（如CPU1510SP-1PN）、以及工藝性CPU和安全故障型CPU模塊。（3） 導(dǎo)軌模塊，導(dǎo)軌就是S7-1500上的一個(gè)機(jī)架，用于安裝各種不同的功能模塊，可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇不同尺寸的導(dǎo)軌。（4） 信號(hào)模塊，信號(hào)模塊是模擬量I/0與數(shù)字量I/0的總稱模塊，主要用于控制PLC的信號(hào)輸入與信號(hào)輸出。（5） 工藝模塊，主要使用于存儲(chǔ)量高以及實(shí)時(shí)性要求高的控制任務(wù)。（6） 通信模塊，通信模塊相當(dāng)于一個(gè)橋梁，負(fù)責(zé)連接PLC之間，PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信。它可以降低用戶對(duì)通信功能的編程工作，從而降低了CPU的負(fù)擔(dān)。S7-1500如圖3-1所示：圖3-1 S7-1500外觀3.3 控制電路設(shè)計(jì)如圖3-2，圖3-3所示為抓具控制的I/0接口圖：圖3-2 DI輸入模塊圖3-3 DO輸出模塊如圖表3-1所示為I/O接口表：表3-1 I/0接口表名稱變量表數(shù)據(jù)類型地址備注Tag_1默認(rèn)變量表Bool%I0.0機(jī)床料位檢測(cè)開關(guān)Tag_1(1)默認(rèn)變量表Bool%I0.1機(jī)械手接近工件檢測(cè)開關(guān)Tag_1(2)默認(rèn)變量表Bool%I0.2清洗機(jī)接近開關(guān)Tag_1(3)默認(rèn)變量表Bool%I0.3機(jī)械手松開信號(hào)Tag_1(4)默認(rèn)變量表Bool%I0.4機(jī)械手吸緊信號(hào)Tag_1(5)默認(rèn)變量表Bool%Q0.0機(jī)械手夾緊/松開Tag_1(6)默認(rèn)變量表Bool%Q0.1物料丟失報(bào)警1Tag_1(7)默認(rèn)變量表Bool%I0.5機(jī)械手原點(diǎn)信號(hào)Tag_1(8)默認(rèn)變量表Bool%Q0.2機(jī)械手加工取料Tag_1(9)默認(rèn)變量表Bool%Q0.3機(jī)械手清洗取料Tag_1(12)默認(rèn)變量表Bool%Q0.4物料丟失報(bào)警2auto默認(rèn)變量表Bool%I1.0自動(dòng)按鈕FW默認(rèn)變量表Bool%I1.1復(fù)位按鈕Tag_2默認(rèn)變量表Bool%Q0.5機(jī)械手成品取料Tag_1(14)默認(rèn)變量表Bool%I1.4加工完成信號(hào)Tag_1(15)默認(rèn)變量表Bool%I1.5清洗完成信號(hào)Tag_3默認(rèn)變量表Bool%Q0.6機(jī)械手加工送料Tag_4默認(rèn)變量表Bool%Q0.7機(jī)械手加工等待Tag_5默認(rèn)變量表Bool%Q1.0機(jī)械手清洗等待Tag_6默認(rèn)變量表Bool%Q1.1機(jī)械手清洗送料Tag_7默認(rèn)變量表Bool%Q1.2機(jī)械手成品送料Tag_8默認(rèn)變量表Bool%I1.6機(jī)械手成品送料到位信號(hào)Tag_9默認(rèn)變量表Bool%Q1.3機(jī)械手回原點(diǎn)3.4 抓具PLC程序說明第一步為加工取料環(huán)節(jié)，判斷啟動(dòng)開關(guān)是否開啟，以及機(jī)械手是否處于原點(diǎn)待命狀態(tài)，檢測(cè)機(jī)床中無工件狀態(tài)，則輸出一個(gè)信號(hào)給機(jī)械手，按照設(shè)定軌跡自動(dòng)靠近工件。如圖3-4所示：圖3-4 加工取料第二步靠近工件后檢測(cè)夾爪上的接近開關(guān)是否有信號(hào)，當(dāng)夾爪接近工件時(shí)，機(jī)械手發(fā)出夾取信號(hào)，夾爪開始工作抓取工件。如圖3-5所示：圖3-5 機(jī)械手夾緊第三步 機(jī)械手移動(dòng)送料至加工中心，當(dāng)移動(dòng)過程中夾具上的接近開關(guān)丟失信號(hào)，則表示工件在搬運(yùn)過程中脫落，啟動(dòng)聲光報(bào)警器報(bào)警。如圖3-6所示：圖3-6 加工送料當(dāng)工件成功運(yùn)送到機(jī)床上后，收到檢測(cè)信號(hào)，并松開工件，等待工件加工完成信號(hào)。如圖3-7所示：圖3-7 機(jī)械手送料工件加工完成后，機(jī)械手進(jìn)行清洗取件工作，檢驗(yàn)夾具是否處于松開狀態(tài)，然后機(jī)械手靠近待洗工件抓取工件，準(zhǔn)備清洗。如圖3-8所示。圖3-8 清洗取料取料完畢后，發(fā)出信號(hào)機(jī)器人按照軌跡將工件送入清洗池中清洗。清洗完畢后機(jī)械手再由前述抓取動(dòng)作，將清洗后的工件放入AGV料架中，進(jìn)入存儲(chǔ)單元或下一個(gè)加工單元。如圖3-9所示：圖3-9 工件放回第四章 輔助功能4.1 RenishawTRS2刀具破損在線檢測(cè)系統(tǒng)在零件加工過程中，如果刀具出現(xiàn)破損但沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)后果將非常嚴(yán)重，可能導(dǎo)致刀具崩斷破壞工件，產(chǎn)生廢品或者重新加工的重大損失，拖慢整條生產(chǎn)線的時(shí)間。這時(shí)一個(gè)刀具破損的檢測(cè)系統(tǒng)就可以完成監(jiān)察的工作。目前采用的檢測(cè)方式又兩種，一種是傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)系統(tǒng)，這一種接觸檢測(cè)系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)，因?yàn)榻佑|刀具本身也可能存在破壞刀具的風(fēng)險(xiǎn)，這意味著這種檢測(cè)只能在低速的情況下完成，從而會(huì)增加加工時(shí)間，延長了整個(gè)加工周期。并且系統(tǒng)通常需要裝在工作區(qū)域內(nèi)，占用了寶貴的工作空間，并有碰撞的危險(xiǎn)，這就是為什么要采用第二種非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)的原因了。本方案的刀具檢測(cè)系統(tǒng)采用的Renishaw的TRS2非接觸式刀具破損檢測(cè)系統(tǒng)。TRS2可以在各種機(jī)床中對(duì)實(shí)心的刀具進(jìn)行非接觸檢測(cè)，通過分析刀具旋轉(zhuǎn)反射回來的光線頻譜來判斷刀具是否破損，系統(tǒng)能自動(dòng)忽略切削或冷卻液帶來的干擾光纖頻譜，降低了誤檢測(cè)的可能性，并且它不需要安裝在機(jī)床的工作區(qū)域內(nèi)，可以節(jié)約珍貴的工作空間13。如圖4-1所示為刀具檢測(cè)傳感器，圖4-2為檢測(cè)流程圖：圖4-1 雷尼紹TRS2檢測(cè)器圖4-2 檢測(cè)流程圖4.2 加工殘屑檢測(cè)系統(tǒng)工件加工完成后需要進(jìn)行殘屑清理，防止殘屑對(duì)工件的裝夾產(chǎn)生影響，使表面平整，減少凸凹不平,做通孔，錐形支撐面等,并輔助采用切屑液、壓縮空氣對(duì)工裝進(jìn)行吹掃。檢測(cè)流程圖如圖4-3所示：圖4-3 檢測(cè)流程圖4.3 超聲波洗件池超聲波清洗被目前的國際上公認(rèn)為效率最高，清潔效果最好的清洗方式，它的清洗潔凈度達(dá)到了最高級(jí)別，清洗率也達(dá)到了98%，相對(duì)于清洗效率只有60%-70%的傳統(tǒng)的手工清洗和有機(jī)溶劑清洗，或者是效率低于90%的高壓水流清洗，工業(yè)聲波清洗無疑成為了使用于大工作量清洗的最佳選擇。超聲波清洗有如下優(yōu)勢(shì)8：（1） 對(duì)于工件死角有效清理：對(duì)于人工手洗以及其他清洗方式都不能完全有效的清洗到工件的每一個(gè)部位，尤其是一些復(fù)雜工件，但超聲波清洗就有顯著的清洗效果，可徹底清洗工件。（2） 超聲波清洗池能配合不同的清洗劑，實(shí)現(xiàn)不同的清洗效果，例如除塵，去銹，去油等效果。（3） 降低污染，超聲波清洗池配套由循環(huán)過濾系統(tǒng)，能將使用過的清洗劑過濾雜質(zhì)后反復(fù)使用，可以減少有毒物質(zhì)對(duì)于環(huán)境的污染，高效環(huán)保，并且能節(jié)約資源，節(jié)約成本。（4） 超聲波清洗池可以自動(dòng)完成工件的清洗，烘干等基本工作，配合工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗。（5） 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，手工清洗體力勞動(dòng)繁重，并且環(huán)境惡劣，對(duì)于復(fù)雜的工件清洗時(shí)間太長。而超聲波清洗機(jī)就可以解決這些問題。清洗原理介紹：超聲波清洗是指利用超過2w赫茲的聲波，它具有方向性好，穿透力強(qiáng)，容易獲得比較集中的聲能等有點(diǎn)，在水中可遠(yuǎn)距離傳播，在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事上有許多應(yīng)用。超聲波清洗機(jī)的原理主要是通過換能器，將超聲波頻源的聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，通過槽壁將超聲波輻射到槽中清洗液，使槽內(nèi)液體中的微氣泡能在聲波作用下一直保持振動(dòng)8。超聲波空化能偶產(chǎn)生巨大壓力破壞污物，達(dá)到清洗的目的。超聲波清洗機(jī)方案如圖4-4所示：圖4-4 超聲波清洗池方案當(dāng)工件放入自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)后，自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)將工件浸入超聲波清洗池中