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工業機器人應用於數控車床教學（xué）模式探索與研究

2019-5-29 來源：華（huá）南理工大（dà）學廣州（zhōu）學院機械工程學院作者：段海峰（fēng），韓偉，劉建光，龍勇坤

摘要:根據GSK機器（qì）人及980T數控車床加工的特點，規劃建設了由GSK機器（qì）人、物料架和980T數控車床組成的自動（dòng）供料、裝夾、加工的柔性製造（zào）係統;探索建立指導學生運用工業機器人在數控車（chē）床編程加工中完成自（zì）動搬運、裝卸、加（jiā）工的實訓學習（xí）模式（shì）;使學生學習GSK機器（qì）人與數控車床聯調方法，規劃機器人上、下（xià）料運（yùn）行軌跡，掌握運用機器人技術（shù）提高數控車床自動加工效率的方法，實（shí）現零件加工過程（chéng）中上（shàng）下料的自動化和無人化。通過該實訓模式（shì）的學習，使學生對數控加工（gōng）智能技術有更深入的理解，實現（xiàn）對本科生數控專業應用型（xíng）人才的（de）培養定位，達到提高學生更深入理解工業4．0智能數（shù）控的（de）教學的目標。

關鍵詞:機器人;數控機床;柔性製造;自動（dòng）搬運;實訓模（mó）式

段海峰，碩士，實驗師，主要研究方向:機械工程

引言

隨著機器人的發展，工（gōng）業4．0的推進，作為擴展到數控加工智能技術（shù）自動化操作（zuò）核心的應用型人才卻（què）極度缺乏，而作為培養應用型人才的大學卻沒能跟上步伐，而本研究項目就是希望通過GSK機器人數控車床柔性製造（zào）係統（tǒng）來嚐試對這方麵應用型人才進行培養，嚐試建立新的實訓模式，嚐試完善新（xīn）的本（běn）科數控專業應用型（xíng）人才的培養定位，拓展學生的技術應用能力範疇。

1、數控車床柔性製造係統布局設計

圖1所示為由GSK機器人、物料架和980T數控車（chē）床組成的柔性（xìng）製造係統，它由機器（qì）人（rén）控製櫃、機器人、改裝後的氣動數控車床和用來放料的（de）物料架（jià）4部分組成（chéng）。通過一係列的改裝、布置（zhì）、編程，可以實現數控車床編程加工中的自動搬運，自動裝卸和自動加工。

圖1 數控車床柔性（xìng）製造係統布局圖

2、數控車床柔性製造係統的規劃建設

2．1 數控車床柔性製造係統的（de）工作流（liú）程設計

根（gēn）據圖1數控車床柔性（xìng）製造係統布局圖，要建設（shè）好數控車床柔性（xìng）製造（zào）係統，首先需要設計好整套係統的工作流程(見（jiàn）圖2)。

圖2數控（kòng）車床柔性製造係統的工作流（liú）程圖

整個工作（zuò）流程分為5個步驟。

(1)前期準備工作。在開始整個係統前先（xiān）要做好前期準備工作，包括數控車床的通電、開機，典型加工程序的輸入，毛坯原（yuán）材（cái）料（liào）的放置準備等。

(2)數控車床自動開門，氣動卡盤自動鬆開。當所有前期準備（bèi）工（gōng）作完成後，就可以開始整套聯（lián）動係統的運行，即氣動改造後的數控車床先自動開門，鬆開（kāi）氣（qì）動三角卡盤，這時機器人才（cái）可以實現毛（máo）坯原材料從物料架到數控（kòng）車床三角卡盤位置的搬運。為下一（yī）步的固緊加工做準（zhǔn）備。

(3)氣（qì）動卡盤自動固（gù）緊，數控車床自動關門。通過編（biān）輯機器人（rén）的運動軌跡，可以實現機（jī）器人將毛坯工件搬運到數控車床的（de）氣動（dòng）三角卡盤位置，穩定後（hòu）數控車床的三角卡盤便會自動固緊，然後自動關上數控車床的防護門，隨即便可以按照之前輸入的程序開始加（jiā）工。

(4)數控車床自動開門，氣動卡盤。當數控車床按照（zhào）既定程序完成加（jiā）工（gōng）後，防（fáng）護門自動打開，氣（qì）動卡盤自動鬆開，機（jī）器人緊接著就可以像裝夾時一樣按照既（jì）定（dìng）軌跡和動作拆卸掉料頭(完（wán）成（chéng）的零件已（yǐ）經自動掉入數控車床的加工位)。

(5)數控車床恢複初始狀態。加工完成，機器人卸掉料頭，數控車（chē）床便可以恢複初（chū）始狀態，即自動（dòng）固（gù）緊氣動（dòng）卡盤，自（zì）動關上防護門，不過需要強調的（de）是，如果批量加工零件時，物料架上可以有序放入多（duō）件毛坯工件（jiàn），當一個零件加工完成後可以回到第2步重新開始，實現批量連續加工。

2．2 數（shù）控車床（chuáng）柔性製造係統中的數控車床（chuáng）氣（qì）動改造設（shè）計

圖3為應用於機械手的數控車床氣（qì）動改造圖，其是為了適應現在機械製造業自動化進程而進行的改造。其中氣動拉杆（gǎn）5為（wéi）專門加的氣動杆，接氣源，作為氣動防（fáng）護門2自動滑動的動力。當按動控製麵板4上另加的按鈕開關防護（hù）門時，防護門可以自動滑動，也可以通過編程來實（shí）現。其中氣動三角卡盤3也較平常的三（sān）角卡盤接了（le）氣動（dòng）裝置，當按動控製麵板4上另加的按鈕鬆緊三角卡盤時，氣動三角（jiǎo）卡盤3可以自動鬆緊，實現零件的自動裝卸，也可以通過（guò）編（biān）程來實現。

總（zǒng）的來講，數控車床進（jìn）行了氣動改造後，可以實現自動開關（guān）門和（hé）自動（dòng）鬆（sōng）緊;配上機（jī）器人後，可以實現零件由裝夾到加（jiā）工，由加工到加工完成，由（yóu）加（jiā）工完成到卸料的（de）全自動化流程。

1－數控車床;2－氣動防護門;3－氣（qì）動三角卡（kǎ）盤;4－控製麵板;5－氣動拉杆

圖3 應用於機械手的數（shù）控車床氣動改（gǎi）造圖

2．3 典型零（líng）件規劃設計

以加工小葫蘆為例，如（rú）圖4所示為其尺寸圖及部分加工程序，由於這裏主要講數控車床柔性（xìng）製造係統的（de）建設，且篇（piān）幅問題，小葫蘆的數控車床編（biān）程及（jí）加工過程這裏就不再累述，隻是以（yǐ）葫（hú）蘆為典型零件來進（jìn）行下一步建設，比如（rú）與（yǔ）之相對（duì）應的機器人氣動手爪設計和物料架設計都與典型零件的（de）尺寸相關。

2．4 根據典型零件（jiàn）所做的機器人氣（qì）動手爪設（shè）計

根據加工工件為Φ25的（de）鋁棒，設計與製作了一個氣動手爪，可以通過氣動控製（zhì），實（shí）現鋁棒的（de）自動抓取和拆卸，其裝配如圖5所示。

2．5 物料架設計（jì）

對（duì）於要加工的鋁棒，設（shè）置了一個放（fàng）置等長棒料的物（wù）料架，如圖1中物料架所示。由於機器人（rén）的聯機抓（zhuā）取（qǔ）工件的位置固定，故抓取程（chéng）序不需要改變;而加工零件的程序作為一個（gè）子程序，圖紙一改變隻需要改變零件的子程序就可以了。具有非常好的適應性，良（liáng）好的柔性製造，可（kě）以取代人工操作，實現自動化機械製造。

圖4 典型零件葫（hú）蘆及其部分加工程序

1－氣缸;2－固定板;3－軸，4－聯接塊;5－板;6－銷;7－固定套;8－夾臂（bì）

圖5 氣（qì）動手爪裝配（pèi）示意圖

2．6 實際（jì）效果圖

按照前麵的設計和改造，完成了數控車床柔性製造係統的建設（shè），其實際效果圖如圖6所示，經驗證，完全可以滿（mǎn）足實訓要求。

圖（tú）6數控車床柔性（xìng）製（zhì）造係統實際效果圖

3、數控（kòng）車床柔性製造係統實訓模式的（de）建（jiàn）立

3．1 實施（shī）方案設計

在數控車床柔性製（zhì）造係統整套係統硬件的建設後，還嚐試進行了數控車床柔性製造係統的具體實訓，實施方案如下:

(1)實訓目標。通過該學習過程，使學（xué）生對數控（kòng）加工（gōng）智能技術有（yǒu）更深（shēn）入的理解，實現對本科生數控專業應用（yòng）型人才的（de）培養定位（wèi），達到提高學生更深入理（lǐ）解工業4．0智能數控的教學目標。

(2)實訓對象。本科大三機械專業學生（shēng）。

(3)實（shí）訓內容。通（tōng）過之前的規劃建設以及教學方案設定，指導（dǎo）學生運用工業機器人在數控車床編（biān）程加工中完成自（zì）動搬運，自動裝卸，自動加工的（de）實（shí）訓學習。

(4)實訓方案。①根據設備承（chéng）受能力，設定（dìng）實訓時一組（zǔ）學生為10人。②實訓時間定為5天，具體的實訓時間安排如表1所示。

表1數控車床（chuáng）柔性製造係統實訓（xùn）時間安排

3．2 機器人運行（háng）軌跡設計

(1)本套係統裏麵（miàn）學生需要完成任務中（zhōng）的重點和難點是機器（qì）人（rén）的運行軌跡編程，我們（men）可以（yǐ）通過編程控製機器人的各個關節的自由度來實現機器人手爪的運動。而（ér）圖7所示為機器人的運動軌跡流程設（shè）計，指出了（le）機器人從上料（liào）到加工，從加工結束到丟棄料頭，再回到（dào）起點的全流程。

圖7 機器人（rén）運行軌跡流程設計

(2)下麵為學生所編輯的機器人運行軌（guǐ）跡的部分（fèn）程序，右邊為對程序的說明，但因篇幅（fú）問題，這裏隻選取其（qí）中一小部分。

3．3 數（shù）控車床柔性製造係統實訓模式的特（tè）色與創新點

本數控車床柔性製（zhì）造係統實訓模式的建設是針對現有的傳統的實訓模式的（de）改進，在試運行期間（jiān）也受到師生（shēng）的一致好評，和（hé）傳統的實訓模（mó）式相比它有著不少（shǎo）的特色與創新點:

(1)數控車床柔（róu）性製造係統實訓模式引進了柔性製造係統（tǒng）的概念（niàn），擺脫（tuō）了傳統實訓的單一設備實訓的模式，多台設備的聯（lián）動，尤其是機器人的引進，不但提高了學生對機械工藝的認識，更是豐富（fù）了實訓的內容，增加（jiā）了（le）學生（shēng）動（dòng）手的（de）機會。

(2)數控車床柔性製造係統實訓中，學生們學習了GSK機器人與數控車床（chuáng）的聯調方法，規劃機器人上、下料運行軌跡，實現零件加工過程中上、下料的自動（dòng）化和無人化;這些內容的學習可（kě）以為學生將來掌握運用機器人技術提高加工（gōng）效率，掌握數控加工智能技術自動化奠定堅實的基礎。

(3)數控車床柔（róu）性製造係統實訓模式提高了學（xué）生實訓的興趣（qù），增加了學生在實訓中（zhōng）創新的機會，也使學生（shēng）在實踐中加強了對自動控製（zhì）方麵知識（shí）的了解，積累了一些自動化改造與應用的經驗。

(4)數控車床柔性製造係統實訓模式增加（jiā）了學生對機（jī）器人的認知和了解，柔性製造係（xì）統概念的（de）確立，完善了新的（de）本科數控專業（yè）應用型人才的培養（yǎng）定位，拓展了學生的技術應（yīng）用能（néng）力範疇。

4、結語

數控車床柔性（xìng）製造係統實訓模式（shì）是對現有的實訓模式的一種改革，由單一設備的實訓模（mó）式改為多設備的（de）聯動實訓模式（shì）;GSK機器人的（de）引（yǐn）入，數控車床的（de）氣動化改造（zào），零件加工過程中（zhōng）上下料的自動化和無人化，這些單元的實施，不但會提高學生實訓的興趣，也會為學生將來掌握（wò）運用機（jī）器人技術，掌握數控加工智能技（jì）術自動化奠定堅實的基礎;數控車床柔性製造係（xì）統實訓模式的建設和嚐試，希（xī）望會對完善新的本科數控（kòng）專業應用型人才的（de）培養定位提供一項參考。

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