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數控車床上下料調控係統的研究

2024-4-26 來源：江蘇省（shěng）海安中等專業（yè）學（xué）校作者（zhě）：徐（xú）曉燕

摘要：針對機床采（cǎi）用人工上下料所存在的勞動強度大、生產效率低的問題，提出了一種以機械手為核心的機床自動上下料係統。對（duì）該係統（tǒng）的結構、工作原（yuán）理及控製流程進行了詳細的分析。根據實際應用表明，該數控車床自動上下料係統能夠實現數控機床的自動上下料，減少 2 名操（cāo）作員工，為落後機床的自動化改造提供了指導，具有極大（dà）的應用（yòng）推廣價值。

關鍵（jiàn）詞（cí）：數控車（chē）床上下料自動控製

引言

隨著國內“工業 4.0”進程的不斷（duàn）發展，對製造業的（de）智能化和自動化要求不（bú）斷提升，目（mù）前國內多（duō）數的（de）車床在上下（xià）料方（fāng）麵均采用的是人工上下料，不僅勞動（dòng）強度大、效率低，而且人（rén）工在取放料的過程中（zhōng）存在著較大的危險性（xìng），嚴重限製了數控機床生產效率的進一步提升。

為了提高數控機（jī）床生產的效率和安全性，同時控製改造成本，本文提出了在數控機床旁（páng）增加一個機械手（shǒu）裝置，利用 PLC 控（kòng）製係統控製機床和機械手（shǒu）聯動的改（gǎi）造方案。該方案隻需增加一個機械手（shǒu），同時對數控機床的控製係統進行升級，實現了機床和機械手的聯動運行控製。根據實際應用表明，該（gāi）機床上下（xià）料控製係統能夠實現物料的自（zì）動取放，將機床生產效率（lǜ）提升了 2.6 倍，消除了人工（gōng）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、自動上下料係統構成

為了滿（mǎn）足自動（dòng）上下料（liào）係統的控製精確性和可靠性需求，該係統包括（kuò）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（tú） 1 所示。

圖 1 自動上下料係統結構示意圖

該控製係統中的硬（yìng）件結構包括控製器、伺服係統、交流電（diàn）機、各類（lèi）傳感器等，而其軟件係統（tǒng）則主要是（shì）用於控製（zhì）數控機床和機械手（shǒu）的聯動運行，其控製程序設置在示教（jiāo）器（qì）和遠程控製中心內，同時滿足（zú）就地控製和遠程控製（zhì）的需求。

1.1 自動（dòng）上下料控製係（xì）統

對於數控機床的自（zì）動上下（xià）料控製來（lái）說，首先要保證上（shàng）下料定位的精確性（xìng），其次要能保證自動上下料的效率滿足數控機床的生產節拍需（xū）求。因（yīn）此該自動上（shàng）下料控（kòng）製係統必須能夠保證控製精確性（xìng）、快速性的需求。在對多種運動機器人控製器的應用情況進行分析後，最（zuì）終選用了一款（kuǎn）滑軌機器人控製器，其具有體積小、容量大的特點，其數據通信係統采用了工業以太網總線，能夠滿（mǎn）足瞬時大容量的數據通信需求，而且采用了雙屏蔽電纜，能夠有效抵抗外界幹擾，確保信息傳（chuán）輸的精（jīng）確性。在設定控製邏輯（jí）時，首先需要根據數控機（jī）床、滑（huá）軌機（jī）器人的布局情況合理選擇上下料的路線，並根據（jù）上下料路線設置上下料控製程序，使滑軌機器人的運行保持在一定的範圍內，保證數控機床在自動上下料過程中的安全性。

為了（le）滿足自動上下料控製係統的拓展需求，在控製器選（xuǎn）擇時，選擇了具有 21 路輸入（rù）接口和 24 路輸出接口的多接（jiē）口控製器，各個接口均采用了標準化端口（kǒu），能夠快速的進行（háng）模塊的添加，從（cóng）而能夠滿足（zú）不（bú）同情況下的拓展需求。

該數控機床控製係（xì）統構成如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 數控機床控製係統框（kuàng）架

1.2 伺服係統

滑軌機器人的機械手在（zài）進行零件取放的過程中，需（xū）要運行平穩、取放精度高，因此要求取（qǔ）件的伺服控製係統具有極高的控製精（jīng）度（dù）和（hé）控製平（píng）穩性，不能存在丟步現象。傳統脈衝式伺服驅動（dòng）係統雖然結構簡單、造價較低，但其（qí）控製穩定性較差，因此在經過對比（bǐ）後選擇了總線式伺服驅動係統，該伺服係統（tǒng）可以通（tōng）過標（biāo）準接口和控製模塊（kuài）相連接，保證了數據傳輸的精確性和高速傳輸需求。總線式伺服驅動係統的整體結構如圖 3 所（suǒ）示。

圖 3 伺服驅動係統（tǒng）結構（gòu）示意圖

1.3 電（diàn）機選擇

目前各驅動控製係統在選型時一般優先選擇步進電機，但步進電機在（zài）工作中容易出現（xiàn）丟步現象（xiàng），將導致取（qǔ）料係（xì）統的定（dìng）位偏差，影響數控機床的運行安全性。因（yīn）此在（zài）綜合對比後選擇了交流伺服電機作為該上下料控製係（xì）統的驅動（dòng）裝置，提高上下料係統在工（gōng）作中的精確性和運行平穩性。

2、上下料控製原理

該驅動係（xì）統在工作中直接對滑軌機器人進行控（kòng）製（zhì），通過在 X 軸上的運動帶（dài）動機械手運行，然後利（lì）用Z 軸的移動來實現機械手對物料的抓取或者釋放。

為了滿足滑軌機器人和（hé）數控機床聯動運行（háng）的（de）控（kòng）製需求，需將兩者的控製和（hé）通（tōng）信係統進行改造，設置標準化的 I/O 接口，並聯所需的信號與控製（zhì）係統實現 I/O 數據通信。在進行上下（xià）料運行控製時，控製中心首先獲取數控機（jī）床的運行（háng）狀態信息，對其下一階段的運行情況進行判斷，然後提前發出控製信息給滑軌（guǐ）機器人，使滑（huá）軌機器人提前（qián）準備好上料或者下料，從而實現上（shàng）下料動作和機床加工情況的無縫銜接，提高機床在工作（zuò）時的運行效（xiào）率。該自動上下料控製邏輯如圖 4 所示。

圖 4 數控機床自動上下料（liào）控製邏輯示意圖

3、應用現狀分析

以 CKD6180D 數控機床為例（lì）[9]，對其進行自動化上下料（liào）係統改造，然後對其應用前後的狀態進行對比結果如表 1 所示。

表 1 不同上下料方式對（duì）比

由（yóu）實際驗證結果可知，采（cǎi）用新的自動上下（xià）料係統後，每個工（gōng）件（jiàn）的平均上（shàng）下料時（shí）間降（jiàng）低了 57.1%，由於實現了（le）自動化生產，因此能夠顯著延長數控機床的生產時間，其每天的產能比采用人工生產提升了 2.6倍，因定位不精確（què）而導致的（de）不合格品的（de）數（shù）量則降（jiàng）低（dī）了83.3%。由於采用了精準定位（wèi）模式，因此每個零件的平均定位（wèi）精度比優化前提升了 95%，而由於定位不精確而導致的工件異常數（shù）量則（zé）比優化前降（jiàng）低了 99.5%。因此，通過實際應用分析，新的數控機床自動上下料係（xì）統，不僅（jǐn）能（néng）夠顯著提（tí）升數控機（jī）床的工作（zuò）效率，而（ér）且能夠有效降低其在工作（zuò）過程中的異常率，極大（dà）地提升了工廠的生（shēng）產經濟性（xìng），因此（cǐ）具有極大的應用推廣價值。

4、結論（lùn）

1）機床上（shàng）下料控製係（xì）統（tǒng）的硬件結構（gòu）包括了（le）控製器、伺服（fú）係統、交流電機、各類傳感器等，能夠顯著提升其控製可靠性。

2）總線式伺服驅動係統可以通過標準接（jiē）口和控製模塊相連接，從（cóng）而保證了數據傳輸的（de）精確性和高速傳輸的可靠性。

3）該機床上下料控製係統能夠實現物（wù）料的自動取放，將機床生產效率提升了 2.6 倍，將因定（dìng）位不精確（què）而（ér）導致的工件異常（cháng）數（shù）量降低 99.5%。

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