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數控車床上下料調控係（xì）統的研究

2024-4-26 來源：江蘇省海安中（zhōng）等專業學校作者：徐曉燕

摘要（yào）：針對機床采用人工上下料所存在的（de）勞動強度大（dà）、生產效（xiào）率低（dī）的（de）問題，提出（chū）了一種以機械手（shǒu）為（wéi）核心的（de）機床（chuáng）自動上下（xià）料係統。對該（gāi）係統的結構、工作原理及控製流程進行了詳細（xì）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 名操作員工，為落後機床的自動化改造提（tí）供了（le）指導，具有極大的應用推廣價值。

關鍵詞：數控車床（chuáng）上下料自動控製

引言

隨著國內“工業 4.0”進程的不（bú）斷發展，對製造業（yè）的智能化和自動化要求不斷（duàn）提（tí）升，目前國內多（duō）數的車床在上（shàng）下料方麵均采用的是人工上下料，不（bú）僅勞（láo）動強度大、效率低，而且人工在取放料的過程中（zhōng）存在著較大（dà）的危險（xiǎn）性，嚴重限製了數控機床生產效率的（de）進一步提升。

為了提高數控機（jī）床（chuáng）生產的效率和安全性，同時控製改造成本，本文提出（chū）了在（zài）數控機床旁增加（jiā）一個機械手裝置，利用 PLC 控製係統控製機（jī）床和機械手聯動的改造方案。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（jìn）行升級（jí），實現了機床（chuáng）和機械手的聯動運行控製。根據實際應用表明，該機床上下料控製（zhì）係統能夠實現物料的自動取放，將機床生產（chǎn）效率（lǜ）提（tí）升了 2.6 倍，消除了人工取放定位精度差、安全性不足（zú）的隱患，具有極大的推廣（guǎng）應用價值（zhí）。

1、自動上下料係統構成（chéng）

為了滿足自動上下料係統（tǒng）的控製精（jīng）確性和可靠性需求，該係統包括了硬件和（hé）軟件兩個部分，其自動上下料部分的硬件布局結構如圖 1 所示。

圖 1 自動上下料係（xì）統結構示意圖

該控製係統中（zhōng）的硬（yìng）件結構包括控製器、伺服係統、交流電機、各類傳感器（qì）等，而其軟件係統則主要是用於（yú）控製數（shù）控機床（chuáng）和機械手的聯動運行，其（qí）控製程序設（shè）置在示（shì）教器和遠程控製（zhì）中心（xīn）內，同時滿足就地（dì）控製和遠（yuǎn）程控製的需求。

1.1 自動上（shàng）下（xià）料控製係統

對於數控機床的自動上下（xià）料控製來說（shuō），首先要保證上下料（liào）定位的精確性，其次要能保（bǎo）證自動上下料的效率滿（mǎn）足數控機床的生產節拍需求。因此該自動上下（xià）料控製係統必須能夠保（bǎo）證控製精確性、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，最終選用（yòng）了一款滑軌機器人控（kòng）製器，其具有體積小、容量大的特點，其數據（jù）通信係統（tǒng）采用了工業以太網總線，能夠滿足（zú）瞬時（shí）大容量（liàng）的（de）數據通信（xìn）需求，而且采用了雙屏蔽電纜，能（néng）夠有效抵抗（kàng）外界幹擾，確保信息傳輸（shū）的精確性。在設定控製邏輯時（shí），首先需要根據數控機床、滑軌機器人的布局情況合理（lǐ）選擇上下料的路線（xiàn），並（bìng）根據（jù）上下料（liào）路線設（shè）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（wéi）了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 路輸入接口和 24 路輸（shū）出接口的（de）多接口控製器（qì），各個（gè）接口均（jun1）采用了標準化端口，能夠快速的進行模塊的添加，從而能夠滿足不同情況下的拓展需求。

該數控機床控製係統（tǒng）構（gòu）成如圖 2 所示。

圖 2 數控機床控製係統框架

1.2 伺（sì）服係統

滑軌機器人的機械手在進行零件取放的過（guò）程中，需要（yào）運行平穩、取放精度高，因此要求取件的伺服控製係統（tǒng）具有極高的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（qū）動係統雖然（rán）結構簡單、造價較低，但其控製穩定性較（jiào）差，因此（cǐ）在經過對比（bǐ）後選擇了總線式（shì）伺（sì）服驅動係統，該伺服係統可以通過標準接口和控製模塊相（xiàng）連接，保證了數據傳輸的精確性和高速（sù）傳輸需求。總線式伺服驅動係統的（de）整體結構如圖 3 所示。

圖 3 伺服驅動係統結構示（shì）意圖

1.3 電機選擇

目前各驅動控（kòng）製係統在選型時一般優先選擇步進電機，但步進（jìn）電機在工作中容易出（chū）現丟步現象，將導致取（qǔ）料係統的定位偏差，影（yǐng）響數控機床的運行安全性。因此在綜合對比後選擇了交流伺服電機作為該上下料控製（zhì）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（píng）穩性。

2、上下（xià）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製，通過在 X 軸上的運動帶動機（jī）械手運行，然後利用Z 軸的移（yí）動來實（shí）現機械手對（duì）物（wù）料的抓取或（huò）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（xū）將兩者（zhě）的控（kòng）製和通信係統進行改造，設置標準化的 I/O 接口，並聯所需的信（xìn）號（hào）與控製係（xì）統實（shí）現 I/O 數據通信。在進行（háng）上下料運行（háng）控製（zhì）時，控製中（zhōng）心首先獲（huò）取數控機床的（de）運行狀態信（xìn）息，對（duì）其下（xià）一階段的運行情況進行判（pàn）斷，然後（hòu）提前發出控製信息給滑軌機器人，使滑軌機（jī）器人提前準（zhǔn）備好上料或者下料，從而實現上下料動作和機床加工情況的無縫（féng）銜接（jiē），提高機床在（zài）工作時的運行效率。該（gāi）自動上下（xià）料控製邏輯如圖 4 所示。

圖 4 數控（kòng）機床自（zì）動上（shàng）下料控製邏輯示意（yì）圖

3、應用現狀分析

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

表 1 不同上下料方式對比（bǐ）

由實際驗證結果可知，采用新的自動上下料係統後，每個工件的平均上下料時間降低了 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（le） 2.6倍，因定位不（bú）精確而導致的不合格品的數（shù）量則降（jiàng）低了83.3%。由於采用了精準定位模式，因此每個（gè）零件的平均定位精度比優化前提升了 95%，而由於定（dìng）位不精（jīng）確而導致的工件異常數量（liàng）則比（bǐ）優化前降低了 99.5%。因此，通過實際應用分析，新的數控機床自動上下料係統，不僅能（néng）夠顯著提升數控機床的（de）工作效率，而且能夠（gòu）有效降低其在（zài）工作過程中的異常率，極大地提升了工廠的（de）生（shēng）產經濟（jì）性，因此具有極大（dà）的應用推廣價值。

4、結論

1）機床上下料控製係統的硬（yìng）件結構包括了（le）控製（zhì）器、伺服係統、交流電機、各類傳感器等，能夠顯著（zhe）提升其控製可靠性。

2）總線式伺（sì）服驅動係統（tǒng）可以通過標準接口和控製模塊相連接，從而保證了數據傳輸的精確（què）性和高（gāo）速傳輸的可靠性。

3）該機床上下料控（kòng）製係統能夠實現物料的自動取放，將（jiāng）機床生產效率提升了 2.6 倍，將因定位不精確而導致的工件異常數量降低 99.5%。

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