基于工业机器人的NC机床上下料系统设计与仿真含7张CAD图
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摘要随着互联网时代的到临,智能制造行业,人工智能行业、机器人制造行业都有了突破性的发展,以智能工业机器人技术为支撑的智能制造产业蓬勃发展,智能化水平已经逐渐成为衡量国家科技发展水平的标准。能自动上下料的机械手装置已经成为机器人技术在工业中应用的重要方面。在我国政府的大力支持下,我国工业加工水平有了很大提高,加工速度和加工精度都得到了极大的改善,目前我国制造业门类多、规模大,工作强度高,并且工作环境危险,人工进行上下料存在一定的隐患,所以迫切需要工业机器人来代替人工完成这些工作。许多企业都采用自动化的系统来完成生产工作,以此减少人工消耗,比如AGV输送系统和工业机器人配合使用完成自动化的实现,在实际的生产线上实现“无人工厂”的高效生产模式,将绿色生产融入生活。随着工厂自动化水平的提高,数控机床领域对工业机器人的应用领域越来越多,自动化的加工配合自动化的上下料,既能高效的完成作业,又能同时保证生产质量稳定。自动化上下料机器人负责完成工件的装卡、抓取、上下料、以及工艺翻转等生产准备环节,不仅能够高效完成,而且可以极大的节省人工成本。自动化上下料机器人的面世,对工业发展起了极大的促进作用,改善了产品质量水平,提高了企业生产规模。本文以机械手上下料系统为研究对象,对于工业自动化生产线仿真进行了研究,分析设计针对于板件的夹具,以及夹具的控制方式,研究机械手上下料的控制时序,以及机床、物料台、AGV小车、工业机械手的布局。然后利用所选的PLC,结合控制系统的各种要求,对机械抓手进行控制设计。最终实现基于NC机床的自动化上下料系统。关键词:上下料系统 PLC 工业生产线仿真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 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2相关技术国内外发展现状11.3主要国家研究现状21.4课题的来源与研究意义4第二章 机械手上下料系统结构分析及总体方案拟定52.1机械手上下料系统总体方案设计52.1自动化上下料系统主要模块分析72.2.1 输送机构结构及功能分析72.2.2吸盘夹爪结构及功能分析82.2.3 工艺中转台的结构与分析92.2.4 CNC机床工件夹具结构分析102.2.5 辅助检测系统的介绍与说明112.2.6 机械手选型132.2.7 夹具吸盘吸力校核16第三章 抓具电路控制方案设计173.1 TIA S7-1500系列PLC介绍173.2 S7-1500 PLC模块介绍173.3 控制电路设计183.4 抓具PLC程序说明20第四章 辅助功能234.1 RenishawTRS2刀具破损在线检测系统234.2 加工残屑检测系统234.3 超声波洗件池25第五章 方案材料预算27第六章 结论与展望28致 谢29参考文献30附录131III第一章 绪论1.1 引言随着人类社会的不断发展,劳动力成为限制生产发展的主要因素,18世纪由于蒸汽机的发明解放了生产力,第一次由机器取代人力,把机械带入了社会,从此以后不断朝着简化人力的方向发展,如今21世纪在计算机的高速发展背景下,依靠计算机发展的智能生产也成为了主流,现如今工业化机器人的发展技术已经成为新的科技水平评判标准。对于自动化的加工设备来说,自动化上下料系统则是最好的搭档,尤其是当面对工作大量重复,工作环境危险,工作强度大的人工环节,用工业机器人代替人的劳动不仅能保证安全生产,又能提高生产的效率,和产品质量的稳定性。在自动化加工机床和工业机器人的整体化设计方案中,可以实现“无人化工厂”。2017年的天猫无人超市就采用了这个思想,利用工业机器人自动补货,以及现代的互联网支付方式来实现无人超市,只需要很少的人力,就可以保障超市的正常运行。生产线上的无人化工厂则可以由AGV小车,工业机器人,自动化机床的配合来实现。自动化上下料系统采用工业机器人来替代传统人工操作,自动完成加工中心或CNC机床上的抓取任务,可以自动上下料,装卡工件,以及工件转序和工件的工艺翻转等加工准备任务,能有效的提高生产效率并且节约劳力成本1。工件的上下料和装夹是许多加工中不可避免的重要环节,他会影响整条生产线的生产效率,一般要消耗大量的人力资源,但是由于工业机器人的诞生,就可以很好的解决这个问题。国际机器人联合会(IFR)今天在上海工博会上发布了最新的全球机器人统计数据。从大类看,工业机器人和服务机器人依旧是分列进行统计和分析。根据2019年IFR(国际机器人联合会)的统计,发布了2018年的全球销售数据,全球工业机器人的热度不断增加,在2018年达到了43万台,突破了全球工业机器人的历史销售记2,同比去年增幅6%,并且做出了预估性的判断,猜测到2022年时全球工业机器人行业需求将大量增长,预计达到59万台的全球年需求量,平均年增长为12%。在全球工业机器人的消费地区中,亚洲仍让为工业机器人的主要销售地区,尤其是中国,目前中国处于工业快速发展的阶段,工业机器人不断融入生产加工,在2018年时销售量达到15万台,时日本同年的三倍。从产品的去处统计出,工业机器人主要用在汽车、金属加工、电器制造等行业中,并且需求还在逐渐增加 。自动化制造上下料技术开创了工业的新模式,对工业发展起到推动作用,全世界对工业机器人的需求都在逐步提升。1.2相关技术国内外发展现状机械手安扎不同的用途大致分为3类,第一类为操作机,是指用于完成某种特定的作业抓手,例如锻压操作机,焊接操作机等。第二类为通用机械手,它的普适性能更好,可以根据不同的场合不同的需求编写控制程序,这类机器人主要分为直角坐标系式,球坐标系式的,最常用的是直角坐标式的,基本上由多个伺服电机组成的多轴机器人,工业上常用6轴机器人,大致由基座,各部分旋转轴以及抓手构成,轴数越多,在空间中操作越灵活,更具有通用性,只需要在抓手处安装不同的夹具,即可配合不同的工作参加生产,目前主要用于繁重的体力劳动中或者带有危险性的工作环境中。第三类为专用机械手,它不是一种独立装置,而是附属于于生产线中的,常见的用于轴类零件的生产中,不具备通用性,但可以更好的完成特定的工作。1.3主要国家研究现状(1)日本经过第二次世界大战后的日本,经济走向低迷,于是出现了经济快速发展与严重劳动力不足的矛盾。而正在此实,美国制造出的工业机器人为日本劳动力严重不足的问题带来了解决的希望,于是在日本政府的扶持下在1967年川崎重工公司从美国引入了工业机器人技术,并尝试生产机器人,并以很快的速度在1968年制造出了第一代名为“尤尼曼特”的机器人。为日本接下来的机器人发展打下坚实基础。美国研发的工业机器人极大的舒缓了日本劳动力不足的矛盾,受到了日本政府的大力扶持和日本企业的青睐,激发了企业自主生产机器人的热情。政府还对中小企业提供低息资金,鼓励日本企业家成立机器人的租赁公司,将采购回来的机器人租给企业使用,一方面能普及工业机器人,另一方面能为中小企业减少设备更新的成本,除此之外,政府还对购入的机器人采取价格补贴的扶持优惠,并免费对中小企业进行机器人方面知识的技术指导和普及,种种政策下来,使日本的机器人技术迅速发展,一跃成为机器人王国,从一开始的一代产品,到八十年代的各行业普及使用,日本的机器人技术已经有了质的飞跃。日本在机器人领域的发展一直保持世界前沿水平令人瞩目,在川崎一代机器人的短暂摇篮期之后,以极快的速度过度到了普及器,从此日本的工业机器人发展迎来了春天,大约在上世纪的80-90年代,日本的工业机器人发展达到了这一时代的顶峰,然而好景不长,在上世纪的九十年代中期后,随着北美和欧洲的逐渐崛起,工业机器人的主阵地又到了欧洲和北美,国际的市场格局渐渐发生变化。进入本世纪初后,随着全球工业机器人的需求普及,尤其是中国和韩国等迅速发展国家对于工业机器人的需求量不断增长使日本的智能机器人又重新注入了活力,使日本的工业机器人再次崛起。根据IFR(国际机器人联合会)统计,在2014年全球市场中的日本机器人份额占比排名第一,销售量大约为2.8万台,安装和生产总量达到12.7万台,日本的工业机器人主要应用在电子和汽车领域,比率超过了60%,也可以说汽车和电子产业是推进日本机器人技术推进的引擎,其次是机械制造行业,占比约为27%,最后是塑料制品工业,占比约10%,并且在2014年日本已经成为了机器人出口大国,面对周围国家的迅速发展,尤其是中国的机器人需求量大幅增加,也刺激了日本国内的机器人行业发展。(2) 美国美国是世界上第一个制造出工业机器人的国家,在1962年研发出了世界上首个工业机器人,也正是因为这台机器人的出现,让深陷劳动力严重不足的日本看到了曙光,在上世纪的60年代到70年代之间,美国由于国内的失业率高达6%,劳动力过剩,为了防止机器人的大量使用增加失业率,所以并没有将工业机器人作为主要的研究对象,只有少数几所大学和企业从事相关的初步研究工作,于是很快被日本赶超,日本以极快的速度引入了美国的机器人技术,并且大量普及应用,使得机器人技术快速发展,这才让美国有了紧迫感,将机器人作为重点研发对象。到了上世纪70-80年代,美国开始重视机器人技术的研发,但这次的研发路线并不是倾向于民间使用,而是主要为了航空,航海,以及核工程使用的高端机器人,在社会上的企业使用方面远远不及日本,机器人技术的普及效果也远远不如日本,此实日本已经成为了世界上的机器人王国,美国意识到应该扩大机器人的使用领域,于是为机器人技术发展的下一个阶段做准备,此实处于机器人发展的第二阶段。之后到了上世纪的80年代到90年代,这是美国机器人发展的第三阶段,美国开始重视工业机器人的普及,改变了上一阶段机器人主要使用者是政府的局限性,企业的机器人使用量逐渐上升,并且随着工业的发展,许多功能简单的机器人逐渐失去了市场,美国发挥本土的计算机技术领先优势,开发出了触觉,视觉,以及多种传感器的二代机器人,这样才获得了与日本竞争的机会,此实日本由于欧美市场的崛起,走入了低迷,美国开始奋起直追。美国机器人技术的崛起时在发展的第四阶段,也就是上世纪的九十年代以后,美国的计算机技术有了飞跃提升,微软,苹果等互联网行业巨头以及社交软件Facebook,对于图像识别,视觉识别等计算机领域处于世界领先地位,并将这些技术与机器人技术融合,使得此实的美国机器人技术更加先进、全面,并在军事,航空,汽车等领域中普遍应用。美国是机器人的诞生地。早在1962年就研制出世界上第一台工 业机器人。比起号称机器人国的日本起步至少要早五、六年。20世纪60年代到70年代期间,美国的工业机器人主要立足于基础研究,只几所大学和少数公司开展了相关的研究工作。随着日本工业机器人在工业生产中的应用,美国感到形势紧迫,才开始真正重视机器人。美国凭借带有视觉、力觉的第二代机器人的研发生产,很快占领了国60%的机器人市场。尽管在工业机器人的发展上,国走了-条重理论研究,轻应用开发的曲折道路,但与其他国家相比,美国机器人的技术更加全面、先进,适应性也很强。此外,美国机器人的智能技术发展也很快,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用,高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速,已实际应用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测等方面3。根据IFR的统计数据来看,2010年时,全球的工业机器人密度排行里,日本还是以306台/万人居于世界第一,第二是韩国的287台/万人,而美国则是排在第八名约为140台/万人,使用率和日本相比仍有较大差距。(3) 韩国根据IFR(国际机器人联盟)发布的统计数据显示,韩国在2017年的机器人密度排名为世界第一位,达到了710台/万人的数量,而紧随其后的是新加坡的650台/万人和德国的320台/万人,韩国已经超出第三名一倍多的数量,机器人密度最低的国家是印度仅有3台/万人,而当年的世界平均机器人密度为85台/万人。虽然韩国并不是第一批进入机器人时代的国家,但它的发展速度非常惊人,这里一个非常重要的原因是政府的重视和推广,在上世纪90年代初次接触机器人的韩国,逐渐把机器人作为国家的一个重要发展方向,到了2004年政府推动了“无所不在的机器人”项目,更是将韩国的机器人行业带向了高速发展的时代,到2012年时,韩国已经将机器人作为国家战略性产业,并发布了机器人未来战略2022的计划,目的在于再次推动机器人行业的发展,到2018年时韩国已经从机器人进口大国,变成了出口大国,当年出口量达到70亿美元,占据了全球市场的五分之一份额,已经成为了全球工业机器人的第四市场。(4) 德国德国的工业机器人发展在美国和日本之后,但是发展速度非常快,很快就达到了世界领先水平,作为老牌的工业国家,对于机器人的发展也是一丝不苟,在上世纪七十年代,德国工业机器人启蒙的阶段,德国政府在推动工业机器人的发展上起到了重要作用,德国政府发布了“改善劳动条件计划”,在一些有危险、有害的工作环境岗位上,必须用机器人取代人力,最大力度保护劳动者的安全。而我们耳熟能详的德国工业4.0计划,则是将信息技术与物联网融入制造业,丰富工业机器人与外界信息的联系,创造智能生产的新模式。德国是全球工业机器人的第五大市场,同时也是欧洲最大的机器人市场,主要推动机器人行业发展的是汽车产业,在2014年时,德国的工业机器人密度为280台/万人,是当时英国的四倍,法国的两倍。1.4课题的来源与研究意义在生产线中的每次工装,都要保证一定的定位精度,以及上下料的一致性,这对于传统的人力上下料来说,不易做到,并且费时费力,随着CNC机床的发展与普及,高速的加工方法已经实现,为了适应机床的高效率,高精度加工要求,发展与其配合的自动上下料系统已经成为必然趋势3。随着CNC机床向着高精度高速度方向的不断突破,人工上下料渐渐无法满足产品质量和精度,所以需要自动上下料系统来解放人力。本文的研究对象是针对板形件的自动化上下料系统设计。第二章 机械手上下料系统结构分析及总体方案拟定根据设计要求,要实现从输送线上自动取料件放到CNC机床中,同时将完成加工的工件清理表面加工残屑之后从CNC机床中放回输送线路中,好进行下一次的加工。本章主要根据设计要求需要,完成机械手上下料系统的总体机械方案设计,然后对于每一个模块的运动要求和总体动作流程进行分析,最终确定机械手上下料方案。2.1机械手上下料系统总体方案设计按照设计要求以及实际生产情况,机械手自动化上下料系统需要实现自动上下料并将CNC机床加工完成的工件取出,放回输送线路上,其主要流程如图2-1所示:所以,我们设计的自动化上下料系统包括上下料功能,工件清洗功能,以及输送机构,还有安全防护门,等基本的功能,设计要求如下4:1. 物料智能转运:集成板生产区域能实现来料自动转输到需求工位,生产完成自动下转下序,成品自动存放成品暂存区,整个流程实现无人化作业。2. 工件夹紧定位:夹具能自动对正并稳定夹紧,不能与刀具干涉,整个过程不能碰伤工件。3. 操作方便快捷,降低劳动力投入,由原来 2 人减少到 1 人(非全工时),工人只负责备料、成品去毛刺、更换刀具和成品周转工作。4. 夹持机构和定位夹紧机构通用程度高,能同时满足目前 6 种产品或更多产品的要求。5. 安全性能高,能保证生产环境安全。机械手动作覆盖的区域应单独隔离,避免人员误入造成人身事故,必要的入口处应设置保护装置。图2-1 CNC机床上下料流程图根据以上要求,该自动化上下料系统主要由三个模块组成,即上下料机械手、AGV输送机构、CNC机床,在机床和AGV料架之间需要机械手操作,在工件洗件池与AGV料架之间也需要机械手操作。所以自动化机械手上下料系统设计总体方案如图2-2所示:图2-2 机械总体方案设计图由上到下依次为CNC机床、上下料机械手、AGV料架,三个部分作为相对独立的整体,互相配合工作。由左至右是CNC机床、工件清洗池、抓具架。整个上下料系统主要动作流程图如图2-3所示:上料时,机械手1将毛坯夹紧回转180度,机床防护门打开并运送到机床1,机床1检测工件表面是否有加工残屑,如果有则启动机床内的压缩气枪对表面进行清理,加工完成后防护门打开,再由机械手1将工件取出,机械手延7轴平移放入工件清洗池中,清洗完成后将工件放到AGV料架2上,以便下一个工序取用。若工件表面无残屑则直接进行加工。在同一工序中可由多个机械手和多台机床配合同时工作,最后将同一工序的工件由AGV小车运送到第二工序处,继续加工。上下料机械手执行的动作有:回转运动、平移运动、抓手的松开与夹紧5。图2-3 自动化上下料系统工艺流程图根据机械手上下料的实际工艺流程以及工作时序安排、工件重量等因素,所选机械手的各项动作参数如下:表2-1 机械手参数2.2 自动化上下料系统主要模块分析2.2.1 输送机构结构及功能分析输送机构的主要任务是把零件送到加工单元,由AGV小车及料架组成。如图2-4所示,主体为一个自动循轨的车体,主要由接近开关和停止器以及料架组成,料架则为可以拆卸的活动折架组成,可拆性增加了对应不同尺寸和不同类型的工件的适应性,可以让输送机配合多种不同的工件工作,工件的输送主要是依靠斜架和重力以及底部的摩擦力来驱动,停止器主要用于输送机到达指定位置,由电机减速机、底座、齿轮等部件组成。本装置结构较紧凑、占地少,实用性较强;动作可靠性更强,停止器主要是实现定位部分定位以及人机交互上下料的动作需要。接近开关是用来对各个工位进行检测的装置,确保工件准确到达目标位置,安全的运行。工件在输送线上的工作流程为:先由人工将工件毛坯放入AGV小车料架上,由AGV小车送至指定工位,停止器将小车停下后由机械手识别工件进行抓取,抓具上的接近开关来判断是否正确抓取工件6。机械手上料完成后将工件放入下一步工序的料架车中,然后再从本工序料架车中重新抓取一个新件放入机床中进行加工,最后将成品由人工放入存储区域中,空载料架车再回到原点由人工装载工件毛坯,以此实现循环工作。输送机构的工作流程图如图2-5所示。图2-4 AGV小车料架图2-5 送料工作流程图2.2.2吸盘夹爪结构及功能分析由于生产件料为板型铝件,吸盘夹爪是为了解决自动化上下料系统系统高精度的控制要求,不易使工件变形且安全的一种夹具,主要完成板料的抓取工作,有夹紧、松开两种状态,如图2-6所示,为吸盘夹爪的结构图方案,主要由吸盘,接近开关,侧边夹爪,气爪安装座组成,当机械手识别工件位置之后,机械手自动靠近工件,当触发接近开关时,吸盘吸住工件,同时侧边夹爪夹紧,防止工件在旋转时甩落。夹紧部分由四个伸缩气缸和夹头组成,当工件被吸住之后,通过气缸的伸缩来实现侧边夹爪的开合,通过侧边夹爪可以自动调节不同尺寸的板型件的抓取,为生产加工提供了更好的适应性。夹具座则是安装在机械手上,与机械手配合使用。夹具工作顺序图如图2-7所示。图2-6 吸盘夹爪结构图2-7 夹具工作顺序图2.2.3 工艺中转台的结构与分析当工件从一个工位转入下一个工位时,如果需要转换加工面,就需要一个工艺中转台,工艺中转台的结构与AGV小车的料架结构相同,但增加了工件支架之间的距离,留出空间让机械手从反面取件,实现工件的翻转。机械手从工艺中转台上取件,放入对应工艺的CNC机床中,加工完成后根据需要,若还需要翻转工件,则机械手取出并继续放入下一个工艺中转台中,如若不需要翻转,则放入AGV小车料架中,进入下一个加工单元。工艺中转架如图2-8所示:图2-8 工艺中转台2.2.4 CNC机床工件夹具结构分析为了使机械手上下料系统与CNC机床配合的更加高效,设计一个专用夹具可以保证操作迅速、方便、高效的生产速度和生产效率。夹具主要由夹具体、夹紧装置组成,定位元件组成。其中定位元件能有效的保证工件在加工过程中的相对位置不发生变化,进而达到加工过程中刀具与工件相对位置正确的目的。夹紧装置使用来保证在刀具外力作用下工件仍然能保持在正确的机床加工位置,不发生偏移,从而来保证产品的加工质量7。夹具体则是作为一个载体,连接夹具上的各部分元件,使其成为一个完成的整体。本方案中采用吸盘夹具来和机械夹爪来实现工件的装夹,如图2-9所示,主体为一个真空吸盘,X、Y方向的定位由四个机械夹爪组成,中心为驱动机械夹爪的驱动盘,通过不同的驱动方向来控制机械夹爪的夹紧和松开两个动作,Z方向的定位则是由真空吸盘来实现,产品加工出工艺孔之后,涨紧套来实现产品的定位,以及限制产品的旋转自由度。图2-9 机床夹具结构机床夹具的工作流程图见附录1所示,当没有工件放入夹具时,夹爪处于未夹紧状态,工件放入机床后,中部夹爪的驱动盘启动,将两个方向的四个夹爪夹紧,夹爪自动将工件对中夹紧工件,夹紧后发出信号,中部的真空吸盘工作,将工件吸紧,吸住工件后夹爪放松,铣刀开始铣工件四周轮廓,铣完四周轮廓之后对中夹爪再次最终确保加工精度,在对中机构夹紧的情况下加工四个定位孔,四个定位孔加工完毕之后,底部的四个涨紧套伸出进行加工精定位,定位完成后对中机构放松,开始加工工件表面,工序完成后,涨紧套回缩,真空吸盘放松,机械手将工件从CNC机床中取出并放入AGV料架,由输送机构送入下一个加工单元。2.2.5 辅助检测系统的介绍与说明CNC机床的特点之一就是它的高效性,但是当大批量生产时,加工零件就意味着需要检测零件,会伴随大量的检测任务,例如工件编程原点测定,首件工件检测,刀具检测等。目前主要的检测手段大致分为三类:离线检测、在线检测、手工检测。其中在线检测对于生产过程中的帮助最大,在线检测也称为实时检测,是在加工过程中对工件位置以及刀具做出实时的检测,并且根据检测结果做出相应的处理。闭环在线检测系统的优点在于,能够更好的保证CNC机床的精度,改善机床的性能,提高生产效率4。在线监测能实时的检测生产情况,如果将CNC机床与在线检测结合,就能让工作人员及时发现问题,及时解决,避免造成更大的损失。根据抽烟调查,我国因为产品质量不合格问题而引起的返修、次品、废品等问题,所带来的经济损失大约为产值的10%,而实时的检测就能改善这个问题,它既能节省了检测时间,又可以使产品质量提高,根据检测系统反馈的数据及时修正系统误差,及时改变机床运动参数,更好的保证产品加工质量。在线测量系统工作原理:通过计算机中的辅助编程系统自动生成检测程序,然后使测头按照程序规定路径移动,当测球触碰工件时发出触碰信号,通过数控系统与测头间的专用接口将触发信号传到转换器,并将触发信号转换后传给机床的控制系统,记录该触碰坐标点。之后可对测量系统的测量结果进行补偿计算等数据处理工作8。在本方案中采用的使用雷尼绍在线测量系统如下图2-11所示图2-11 雷尼绍测头测头的工作顺序如下图2-12所示。在完成工件的装夹之后,测头开始按照轨迹检测工件所在坐标位置,测头触碰四边的对中夹爪,采集工件轮廓坐标点,若在误差范围内则取平均值对机床坐标进行补偿,若超出误差范围则重新装夹对中。图2-12 雷尼绍测头工作流程2.2.6 机械手选型接下来我们要对垂直关键多轴机器人(Multi-axis)进行讨论。这种机器人有着非常大的适用范围,从上、下料到码垛,以及去毛刺、焊接、喷涂等工艺环节。现在的工业机器人制造商基本上会对每种工艺环节都制定相应的机器人方案,我们只需要根据工作环境和工作负载来选择适合的机器人型号即可。机器人的选型原则如下9:(1)有效负载有效负载指的是机器人在其所工作环境中可以携带的最大负载,普通的工业机器可携带的负载量大约为3KG到1300KG不等。如果从事上下料工作的机器人,当工件从一个工位到另一个工位时需要将机器人手爪重量和工件重量加到总的工作负载中。(2)自由度(轴数)机器人配置的电机数量直接关联它的自由度,如果是对于一个简单的生产场合,例如从一条传送带取件放入另一条传送带那么简单的四轴机器人就可以完成。但是如果在一个狭小的工作环境中,而且机器人需要多次的转动那么6轴或7轴机器人就成为了最佳的选择。轴数越多越能增加机器人的灵活性,这样在改变工艺环节时也有很好的适应性。接下来是各个轴的命名,基本上第一个关节(J1)是最接近于机器人底座的轴,再往上一次称为J2,J3,J4以此类推,直到机器人的手腕末端为最后一个轴。例如图2-13所示图2-13 六轴机器人展示图(3) 机器人的最大行程范围当评估机器上人是否能应用于场合时,应该要了解机器人的行程范围时多少。选择一个机器人不能仅仅参考有效载荷,还要确保它能够到达工作指定地点,基本上每个机器人制造商都会给出机器人的动作范围,可以据此判断是否满足应用条件,机器人所能到达的最低点和最高点称为垂直高度测量(Y),机器人手腕到底座中心水平方向上可以达到的最远中心距离成为最大水平动作距离(X)。如图2-14所示图2-14 机器人行程范围(4) 重复精度重复精度指的是机器人每次完成相同指令时,每次到达相同位置的能力,它的标准一般取决于使用的场合。一般在0.05到0.02之间。例如,如果需要机器人组装一个电子线路板,就可能需要用到重复精度很高的机器人,但是在其他工序中选择重复境地低一些的就可以了,比如打包,码垛等可以节约成本。实际上,由于机器人的运动是空间运动,而不是线性运动,所以精度可以在公差半径内的球形空间范围内的所有位置。(5) 机器人载荷计算:工件尺寸规格:约为长(900-1000)宽(500-600)厚(10-25)mm,材质为铝。则按最大情况来核算,即长100060025时的重量。用CATIA软件可算出M工件=40.65KG,M抓具=40.4KG。所以M总=M工件+M抓具=81.05KG图2-15 数值计算利用CATIA可算出三个方向的转动惯量为J1=3.026Kg*m2,J2=4.667Kg*m2,J3=5.042Kg*m2根据此要求来核算机器人是否符合要求。本方案中选用的是IRB 6700 235型机器人 机器人基本参数如下表2-1所示:表2-1 IRB 6700-155基本参数机器人型号工作范围负载重心手腕转矩IRB 6700-2352.65m235KG300mm927 Nm防护等级整机IP 67轴数6安装方式落地式轴运动工作范围最大轴速J1+170to -170100/SJ2+85to -6590/SJ3+70to -18090/SJ4+300to -300170/SJ5+130to -130120/SJ6+360to -360190/S将基本信息输入ABB-Payload工具中得出计算结果如图2-16所示:图2-16 载荷校核结果IRB 6700-235型机器人完全符合生产要求,并且有足够的余量为后期新产品更新换代,以及配合新的工具夹爪参与其他生产环节服务。如图2-17为该型号机器人外观。图2-17 IRB 6700-235示意图2.2.7 夹具吸盘吸力校核吸盘是为了夹具接近工件时,吸附工件,以达到抓取的工件的目的。在抓取环节中涉及到水平起吊和垂直起吊,水平起吊的安全系数为4,垂直起吊的安全系数为8,所以在此我们以垂直起吊校核,工件平整,无通气性,平坦度较好10。采用喷射式真空发生器时,压强大致定为大致定为-60Kpa。本方案采用的时8个圆形吸盘来提供吸力,按照圆形吸盘计算方式进行计算:,代入工件质量M=40.65Kg,安全系数S=8,数量n=8,真空压力为P=-60Kpa,计算得出圆盘直径为D=92mm,考虑到吸盘压缩后实际吸附面积缩小,故采用D=100mm的真空吸盘。第三章 抓具电路控制方案设计根据以上的机械结构分析,自动化上下料控制系统主要是对于机械手上的抓具进行控制,其中主要包含的模块是传感器模块和气动模块,是一个多输入多输出的系统,PLC,即可编程逻辑控制器,是一种把计算机技术、通信技术以及自动化技术融为一体的自动化控制装置。它本身带有数字和模拟或模拟I/0端口以及指令存储器,可以完成数字和逻辑运算以及位运算,并且带有计时和定时功能。PLC控制器具有功能强大、编程简单直观、通用性好、使用方便以及设计和调试周期短等优点,并且可以通过PLC之间的扩展实现多输入和输出的控制。本方案拟采用PLC作为抓手的控制器,磁性开关、接近开关作为检测设备,气缸和吸盘作为动作执行元件,完成抓具部分的控制设计。3.1 TIA S7-1500系列PLC介绍西门子公司在2013年发布了S7-300/400的升级产品S7-1500,它除了继承了上一代S7-300/400的优良特性外,还融合了多种创新技术,极大的提高了生产效率,并且西门子的S7-1500可以与TIA博途软件无缝衔接,极大提高了它的使用效率。目前属于西门子的主推机型之一。S7-1500系列的优点如下11:(1) 降低了系统响应时间,提高了系统性能与生产效率。(2) 降低程序的扫描周期,CPU处理位指令的时间最短可到1ns。(3) 集成运动控制,最高可控制128轴。(4) CPU配置显示面板,可以无需连接计算机就可以检查运行错误。(5) 集成了一个小型网络服务器,可以通过网页浏览器寻思查看诊断信息,对于维护十分方便。(6) 优化的诊断机制,即使CPU处于停止状态下,也不会丢失报警信息和系统故障信息。3.2 S7-1500 PLC模块介绍西门子S7-1500系列的PLC是模块结构化设计的逻辑控制器,每个模块都是相对独立的,可以通过不同的组合进行模块扩展,它主要由电源模块、导轨模块、中央处理器模块、信号模块、工艺模块、通信模块等组成12。接下来对不同模块进行简要说明。(1) 电源模块,电源模块是用来对CPU及其他的扩展模块提供+24VDC电源的。(2) CPU(中央处理器)模块,提供PLC内的各种逻辑计算主要包括以下几种类型,紧凑型CPU(例如CPU1512C-1PN)、标准型CPU(如CPU1511-1PN)、分布式CPU(如CPU1510SP-1PN)、以及工艺性CPU和安全故障型CPU模块。(3) 导轨模块,导轨就是S7-1500上的一个机架,用于安装各种不同的功能模块,可以根据实际情况来选择不同尺寸的导轨。(4) 信号模块,信号模块是模拟量I/0与数字量I/0的总称模块,主要用于控制PLC的信号输入与信号输出。(5) 工艺模块,主要使用于存储量高以及实时性要求高的控制任务。(6) 通信模块,通信模块相当于一个桥梁,负责连接PLC之间,PLC与计算机之间的通信。它可以降低用户对通信功能的编程工作,从而降低了CPU的负担。S7-1500如图3-1所示:图3-1 S7-1500外观3.3 控制电路设计如图3-2,图3-3所示为抓具控制的I/0接口图:图3-2 DI输入模块图3-3 DO输出模块如图表3-1所示为I/O接口表:表3-1 I/0接口表名称变量表数据类型地址备注Tag_1默认变量表Bool%I0.0机床料位检测开关Tag_1(1)默认变量表Bool%I0.1机械手接近工件检测开关Tag_1(2)默认变量表Bool%I0.2清洗机接近开关Tag_1(3)默认变量表Bool%I0.3机械手松开信号Tag_1(4)默认变量表Bool%I0.4机械手吸紧信号Tag_1(5)默认变量表Bool%Q0.0机械手夹紧/松开Tag_1(6)默认变量表Bool%Q0.1物料丢失报警1Tag_1(7)默认变量表Bool%I0.5机械手原点信号Tag_1(8)默认变量表Bool%Q0.2机械手加工取料Tag_1(9)默认变量表Bool%Q0.3机械手清洗取料Tag_1(12)默认变量表Bool%Q0.4物料丢失报警2auto默认变量表Bool%I1.0自动按钮FW默认变量表Bool%I1.1复位按钮Tag_2默认变量表Bool%Q0.5机械手成品取料Tag_1(14)默认变量表Bool%I1.4加工完成信号Tag_1(15)默认变量表Bool%I1.5清洗完成信号Tag_3默认变量表Bool%Q0.6机械手加工送料Tag_4默认变量表Bool%Q0.7机械手加工等待Tag_5默认变量表Bool%Q1.0机械手清洗等待Tag_6默认变量表Bool%Q1.1机械手清洗送料Tag_7默认变量表Bool%Q1.2机械手成品送料Tag_8默认变量表Bool%I1.6机械手成品送料到位信号Tag_9默认变量表Bool%Q1.3机械手回原点3.4 抓具PLC程序说明第一步为加工取料环节,判断启动开关是否开启,以及机械手是否处于原点待命状态,检测机床中无工件状态,则输出一个信号给机械手,按照设定轨迹自动靠近工件。如图3-4所示:图3-4 加工取料第二步靠近工件后检测夹爪上的接近开关是否有信号,当夹爪接近工件时,机械手发出夹取信号,夹爪开始工作抓取工件。如图3-5所示:图3-5 机械手夹紧第三步 机械手移动送料至加工中心,当移动过程中夹具上的接近开关丢失信号,则表示工件在搬运过程中脱落,启动声光报警器报警。如图3-6所示:图3-6 加工送料当工件成功运送到机床上后,收到检测信号,并松开工件,等待工件加工完成信号。如图3-7所示:图3-7 机械手送料工件加工完成后,机械手进行清洗取件工作,检验夹具是否处于松开状态,然后机械手靠近待洗工件抓取工件,准备清洗。如图3-8所示。图3-8 清洗取料取料完毕后,发出信号机器人按照轨迹将工件送入清洗池中清洗。清洗完毕后机械手再由前述抓取动作,将清洗后的工件放入AGV料架中,进入存储单元或下一个加工单元。如图3-9所示:图3-9 工件放回第四章 辅助功能4.1 RenishawTRS2刀具破损在线检测系统在零件加工过程中,如果刀具出现破损但没有及时发现后果将非常严重,可能导致刀具崩断破坏工件,产生废品或者重新加工的重大损失,拖慢整条生产线的时间。这时一个刀具破损的检测系统就可以完成监察的工作。目前采用的检测方式又两种,一种是传统接触式检测系统,这一种接触检测系统存在一些缺点,因为接触刀具本身也可能存在破坏刀具的风险,这意味着这种检测只能在低速的情况下完成,从而会增加加工时间,延长了整个加工周期。并且系统通常需要装在工作区域内,占用了宝贵的工作空间,并有碰撞的危险,这就是为什么要采用第二种非接触式检测系统的原因了。本方案的刀具检测系统采用的Renishaw的TRS2非接触式刀具破损检测系统。TRS2可以在各种机床中对实心的刀具进行非接触检测,通过分析刀具旋转反射回来的光线频谱来判断刀具是否破损,系统能自动忽略切削或冷却液带来的干扰光纤频谱,降低了误检测的可能性,并且它不需要安装在机床的工作区域内,可以节约珍贵的工作空间13。如图4-1所示为刀具检测传感器,图4-2为检测流程图:图4-1 雷尼绍TRS2检测器图4-2 检测流程图4.2 加工残屑检测系统工件加工完成后需要进行残屑清理,防止残屑对工件的装夹产生影响,使表面平整,减少凸凹不平,做通孔,锥形支撑面等,并辅助采用切屑液、压缩空气对工装进行吹扫。检测流程图如图4-3所示:图4-3 检测流程图4.3 超声波洗件池超声波清洗被目前的国际上公认为效率最高,清洁效果最好的清洗方式,它的清洗洁净度达到了最高级别,清洗率也达到了98%,相对于清洗效率只有60%-70%的传统的手工清洗和有机溶剂清洗,或者是效率低于90%的高压水流清洗,工业声波清洗无疑成为了使用于大工作量清洗的最佳选择。超声波清洗有如下优势8:(1) 对于工件死角有效清理:对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个部位,尤其是一些复杂工件,但超声波清洗就有显著的清洗效果,可彻底清洗工件。(2) 超声波清洗池能配合不同的清洗剂,实现不同的清洗效果,例如除尘,去锈,去油等效果。(3) 降低污染,超声波清洗池配套由循环过滤系统,能将使用过的清洗剂过滤杂质后反复使用,可以减少有毒物质对于环境的污染,高效环保,并且能节约资源,节约成本。(4) 超声波清洗池可以自动完成工件的清洗,烘干等基本工作,配合工业机器人实现自动清洗。(5) 降低劳动强度,手工清洗体力劳动繁重,并且环境恶劣,对于复杂的工件清洗时间太长。而超声波清洗机就可以解决这些问题。清洗原理介绍:超声波清洗是指利用超过2w赫兹的声波,它具有方向性好,穿透力强,容易获得比较集中的声能等有点,在水中可远距离传播,在医学、工业、军事上有许多应用。超声波清洗机的原理主要是通过换能器,将超声波频源的声能转化为机械振动,通过槽壁将超声波辐射到槽中清洗液,使槽内液体中的微气泡能在声波作用下一直保持振动8。超声波空化能偶产生巨大压力破坏污物,达到清洗的目的。超声波清洗机方案如图4-4所示:图4-4 超声波清洗池方案当工件放入自动升降机构后,自动升降机构将工件浸入超声波清洗池中进行清洗,清洗完毕后再升起烘干,等待机械手将工件送回输送机构中,进入下一个加工单元,工装流程图如图4-5所示:图4-5 超声波洗件池工作流程第五章 方案材料预算主要采购件预算功能设备品牌数量单价总价设备清洗机Jeer14200042000机器人单元机器人ABB1230000230000机器人七轴ABB1350000350000换枪盘史陶比尔14200042000安全安全门新百万136003600安全围栏新百万若干400/米12000抓具气缸JGL495380吸盘SMC868544接近开关欧姆龙290180运输AGV小车三丰33800011400028第6章 结论与展望自动化生产已经成为不可阻挡的潮流,不论是自动化机床以及自动化上下料系统,都是智能时代的产物,并引领着时代的发展。通过这段时间的工作,我主要完成了以下工作:1.自动化上下料系统的总体构想2.机械手的负载核算及选型3.夹具和抓具的设计以及吸盘吸力的校核4.抓具的PLC控制部分设计5.辅助功能的设计本方案只是对于板形工件的方案设计,要实现完全的自动化上下料系统还需要更多经验的积累,相信在未来可以实现自动化程度更高,人机交互更自然的智能生产系统,这就需要我们不断的探索新的领域,发展新的技术,使得人与机器人之间能建立更容易的交互桥梁。28致 谢路漫漫其修远兮,吾将上下而求索,转眼四年的大学生活就要结束了,从升学时对于大学生活的憧憬,到现在俨然将走出校园,时光飞逝,但校园生活中的一幕幕仍然经常浮现在脑海中。回忆大学的四年生活,总有些迷茫困惑的时候,但满满的收获与同学们的鼓励总是能将我带回正确的方向。在这个夏天,我们准备步入人生的下一个阶段了,开启新的人生旅程。在这里我首先要感谢我两位指导老师,丁红昌老师、张乂文老师从选题,再到结题,每一个部分都有两位老师的悉心指导,即使是在疫情期间,两位老师也自始至终细心的审阅修改,对我耐心指导,走出课本,认识到了许多实际工程中运用到的技术,让我受益匪浅。在此我要衷心的感谢所有关怀和指导我的老师。虽然四年的时间很快就过去了,但这四年的记忆却是人生中最宝贵的回忆,我要感谢我的舍友们在四年里对我的照顾,大学让我们从天南海北汇聚一堂,缘分让我们共度四年,如今暂别,唯有祝大家事事顺利,前途似锦。最后我要特别感谢我的父母,是他们在背后默默的支持我,十年求学路,感谢父母对我无微不至的照顾与支持,在此祝父母家人永远健康幸福。2020年疫情之下,没机会与同学们见最后一面,但在此希望每位同学,老师都能平平安安,更为默默为疫情付出的最美“逆行者”致以崇高的敬意,感谢你们对社会的付出,让中国及时控制住了疫情,希望祖国繁荣昌盛,国泰民安。
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