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數控車床上下（xià）料調控係統的（de）研究

2024-4-26 來源：江蘇省海（hǎi）安（ān）中等專業學校作者：徐曉燕

摘要：針對機床采用人工上下料所存在的勞動強度大、生（shēng）產效率（lǜ）低的問題，提出了一種以機械手（shǒu）為核心的機床自動上（shàng）下料係統。對該係統的結構（gòu）、工作原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（dòng）上下料，減少 2 名操作員工，為落後機床的自動化（huà）改造提供了（le）指導，具有極大的應用（yòng）推廣價值。

關鍵詞：數控車床上下料自動控製

引言

隨著國內“工業（yè） 4.0”進程的不斷發展（zhǎn），對製造業的智能化和自動化要求不斷提升，目前國內多數的車床在上下料方（fāng）麵（miàn）均采用的是人（rén）工上下料，不僅勞動強度大、效率低，而且人工在取放料的過程中存在著較大的危險性，嚴重限製（zhì）了數控機床生產效率的進一步提升。

為了提高數控機床生（shēng）產的效（xiào）率和安全性，同時控製改造成本（běn），本文提出了在數控機床旁增加一個機械手裝置，利用 PLC 控製係統控（kòng）製機床和機械手聯動的改造方案（àn）。該方案隻需增加一個機械手，同（tóng）時對數控機床的控製（zhì）係統進行升級，實現了機床和機械手的（de）聯動運行控製。根據實際應用表明，該機床上下料控製係統能夠實現物料的自動取放，將機床生產（chǎn）效率（lǜ）提升了 2.6 倍，消除了人工取放定位精度差、安全性不足的隱患（huàn），具有極大的推廣應用價值。

1、自動上下料（liào）係統構成

為了滿足自動上下料係統的（de）控製精確性和可靠性需求，該係統包括了硬件（jiàn）和軟件兩個部（bù）分（fèn），其自動上下（xià）料部分的硬（yìng）件布局結構如圖 1 所示（shì）。

圖 1 自動上下料係（xì）統（tǒng）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、交流電機、各類傳（chuán）感器等，而其（qí）軟件係統則主要是用於控製數控（kòng）機床和機械手的聯（lián）動運行，其控製程序（xù）設置在示教器和遠程控製中心（xīn）內，同時滿足（zú）就地控製和遠程控製的需求。

1.1 自動上下料控製係統

對於數控機床的自動上下料控製（zhì）來說，首先要保證上下料定（dìng）位的精確性，其次（cì）要能保證自（zì）動上下料的（de）效率滿足數（shù）控機床的生產節拍需求。因此該自動上下料控製係統必須能（néng）夠保證控製精確性、快速性的需求。在對多種運動機器人控製（zhì）器（qì）的應用情況進行（háng）分析（xī）後，最終選用了一款滑軌機器人控製器，其具有體積（jī）小、容量大的特（tè）點（diǎn），其數據通信係統采用了工業以太網（wǎng）總線，能夠滿（mǎn）足瞬時大容（róng）量的數據（jù）通信需求，而且采用了（le）雙屏蔽電纜，能夠（gòu）有效抵抗外界幹（gàn）擾，確保信息傳輸（shū）的精確性。在設定控（kòng）製邏輯時（shí），首先需要根據數控機床、滑軌（guǐ）機器人的布（bù）局情況合理（lǐ）選擇上（shàng）下料的路（lù）線，並根據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（dòng）上下料過程中的安全性。

為了滿足（zú）自動上下料控製係統的拓展需求，在控（kòng）製器選擇時，選擇了具有 21 路輸（shū）入接口和 24 路輸出接口的多接口控製器，各個接口均采用（yòng）了標準化端口，能夠快（kuài）速的進行模塊的添加，從而能夠滿（mǎn）足不同情（qíng）況下的拓展需求。

該數控機（jī）床控製（zhì）係統構成如圖 2 所示。

圖 2 數控機床控製係統框架

1.2 伺服係統

滑軌機器人的機械手在進行（háng）零件取放的過程中，需要運行平穩、取放精度高，因此要求取件（jiàn）的伺（sì）服控製係統具有極高（gāo）的（de）控製精度和控製平穩性，不能（néng）存在丟步現象。傳統脈衝式伺服驅動係統雖然結構簡單、造價較低，但其控製穩定（dìng）性較差，因（yīn）此在經過對比後選擇了總線式（shì）伺服驅動係統，該伺服係統可以通過標準接口和（hé）控製模（mó）塊相連接，保證了數據傳輸的精（jīng）確（què）性和高速傳輸需求。總線（xiàn）式伺服驅動係統的整體結構（gòu）如圖 3 所示。

圖 3 伺服驅動係統結構示意圖

1.3 電機選擇

目前各驅動控製係（xì）統在選型（xíng）時一般（bān）優（yōu）先選（xuǎn）擇步進電機，但（dàn）步進電（diàn）機（jī）在工作中容易出現丟步現象，將導致取料係統的定位偏差，影響數（shù）控機床的運行安全性。因此在（zài）綜合對比後選擇了交流（liú）伺服電機作為（wéi）該上下料控製係統的驅動裝置，提高上下料係統在工作中的精確性和運行平穩性。

2、上下料控（kòng）製原理

該驅動係統在工作中直接對滑軌機器人進行控（kòng）製，通過在 X 軸上的運（yùn）動（dòng）帶（dài）動機械手運行，然後利用（yòng）Z 軸的移動來實現機械手對（duì）物料的抓取或者釋放。

為了滿足滑軌機器人和數控機床聯動運行的控製需求，需將兩者的控製和通信係統進行改造（zào），設置標準化的 I/O 接口，並聯所需的（de）信號與控製係統實現 I/O 數（shù）據通信。在（zài）進行上下料運行控製時，控製中心（xīn）首先（xiān）獲取數控機床的運（yùn）行狀態（tài）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（xī）給滑軌（guǐ）機器人，使滑軌機器人（rén）提前準備好上料或者下料，從而實現（xiàn）上下料動作和機床（chuáng）加工情況的無縫銜接（jiē），提高機床在工作時的運行效率。該自動上下料控製邏輯如圖 4 所示。

圖（tú） 4 數控機（jī）床自動上下料控製邏輯示意圖

3、應用現狀分析

以 CKD6180D 數控機（jī）床為（wéi）例[9]，對（duì）其進行自動（dòng）化上下料係統改（gǎi）造，然後對其應用前後的狀態進行對比結果如表 1 所示（shì）。

表（biǎo） 1 不同上下料方式對比

由實際驗（yàn）證結果可知，采用新的自（zì）動上（shàng）下料係統後，每個工件的平（píng）均上下料時（shí）間降低了（le） 57.1%，由於實現了自（zì）動化生產，因此能夠顯著延長（zhǎng）數控機床的（de）生產（chǎn）時間，其每天的產能比采用（yòng）人工（gōng）生產提升（shēng）了（le） 2.6倍，因定位不精確而導致的不（bú）合格（gé）品的數量則（zé）降低了83.3%。由（yóu）於采用了精準定位模式，因此每個零件的平均定位精度比優化前提升了 95%，而由（yóu）於定位（wèi）不精確而導致的工件異常數量（liàng）則比優化前降低（dī）了 99.5%。因此，通過實際應用分析，新的數控機床（chuáng）自動上下料（liào）係統，不僅能夠顯著提（tí）升（shēng）數控機床（chuáng）的（de）工作效率，而且能夠有效降低其在工作過程中的異常率，極大地提升了工廠的生產經濟性，因此具（jù）有極大的應用推廣價值（zhí）。

4、結論

1）機床上（shàng）下料控製係統的硬件結構包括（kuò）了控製（zhì）器、伺（sì）服係統、交流（liú）電機、各類傳感器等，能夠顯著提升其控製可靠性。

2）總線（xiàn）式伺服（fú）驅（qū）動係統可以通過標準接口和控製模塊相連接，從而（ér）保證了數據傳輸的（de）精確（què）性和高速傳輸（shū）的可靠性。

3）該機床（chuáng）上下料控製係（xì）統能夠實現物（wù）料的自動（dòng）取放，將機床生產效率提升了 2.6 倍，將因定位不（bú）精確而導致的（de）工件異常（cháng）數量（liàng）降低 99.5%。

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