摘要：目前，国内大部分制造加工企业都是以人工或专机实现机床的上下料加工的，为了改变这一现状，可在机床上下料工装设计中合理应用工业机器人。基于此，文章从机床上下料工装设计中应用工业机器人论述了这一内容，希望对解决传统机床上下料的缺陷有所帮助。
关键词：机床上下料；工装设计；工业机器人；应用研究
1、前言
为适应社会高速发展，工业机器人代替人力劳动是必然的发展趋势，和计算机技术一样，工业机器人的广泛应用，正在日益的改变人类的生产方式和生活方式。在工业机器人配合数控机床进行搬运、焊接、上下料的同时，工装必不可少。工装在设计时要考虑工件定位稳定性和可靠性，有足够的承载和夹持力。
2、机床上下料工装设计中工业机器人的应用
2.1关键部件设计
在进行机床上下料工艺装备设计的过程中，可对工业机器人加以合理应用，以此来提高上下料的速度，减轻工人的劳动强度。基于工业机器人的机床上下料工作站的具体工作流程如下：当工作站通电启动之后，工业机器人和上料机构等全部复位，由PLC负责向上料机构发送指令信号，接到信号后，上料机构会取出待加工工件，工业机器人会到上料机构处进行自动取件，将待加工的工件放置在第一台数控机床上，当机床完成工件加工后，会向机器人发出取件信号，机器人会将工件从第一台数控机床上取出，并在掉头后，将工件放置在第二台数控机床上，当第二台机床完成工件加工后，会向机器人发出取件信号，机器人会将加工好的工件从第二台机床中取出，放置在下料输送线上，由此一个工件就加工完毕，然后重复上述过程对下一个工件进行加工。
1）回转上料机构。回转工作台上的工位共有8个，每个工位都设置一根导柱，每根导柱上穿18个零件。在伺服电机的带动下，回转工作台进入旋转状态，将各工位旋转到工作工位，便于取料机构将导柱上的零件自动取下，完成回转上料操作。在上料环节中，操作人员只需要每次上144个零件，就可以进入自动化作业，无需人工操作，降低操作人员劳动强度。
2）取料机构。取料机构中内置滚珠丝杆副，并在其上方安装取料台，取料台配合回转工作台完成取料作业。当回转台上的工位运行到取料台的位置之后，取料台移动到取料高度，其手指伸到取料位置且穿过零件，之后取料台再向上移动，从回转工作台的导柱上取下零件。在取料台上方安装视觉系统，其功能为准确定位取料位置，实时分析实际摆放位置与精确取料位置之间的偏差，将偏差数据存储到数据库中。工业机器人在接收到偏差数据后，对取料位置重新定位，消除偏差。
3）数控机床。为确保生产工艺的完整性，在对机器人上下料工作站进行设计的过程中，采用了2台型号一样的数控机床，该机床具有先进的数字化控制系统，最大回转直径为400，主轴转速的区间范围为500～3000r/min。机床上配有自动液压卡盘和尾座，安全门可以自动开启，防护门的开关由系统软件程序进行控制。
4）下料输送线。下料输送线采用链板输送方式，将加工完毕的零件传输到下一工位，其驱动装置为三相异步交流电机。在下料输送线的两端配置光电传输器，对放料位置和取料位置进行检测，配合取料位上的视觉系统，实时对零件取放过程进行准确定位。为避免零件在下料输送线上移动到位后掉下，应将挡板设置在取料位的前端。在下料输送线在运行状态时，输送链板在三相异步电机的驱动下将工件传递到取料位，当取料位上的传感器检测到工件时，其他设备便会在传感器发出信号之后完成取料。
2.2上下料机器人末端执行器设计
在机床上下料机器人工作站的设计中，机器人的末端执行器设计是关键环节，所谓的末端执行器实质上就是机器人的机械手，主要包括两种状态，即夹紧和松开，这两种状态之间能够自由转换，从而实现待加工工件的抓取和放置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆上下料的过程是否安全、可靠，与机械手的稳定性有着极为密切的关联，由于机械手抓取的工件规格、尺寸、形状存在一定的差异，从而使得机器手的样式较多，其中比较常见的有钳式和吸附式两种，考虑本文中机床加工工件的形状（圆柱状），结合工件的重量，在设计中选用了钳式三爪机械手作为机器人的末端执行器。
1）电磁阀选型。该工作站中的2台机床卡盘均为气爪，电磁阀选用三位五通电磁换向阀，其阀芯有3个工作位置和5个接口，这种类型的电磁阀结构紧凑，便于安装。
2）气缸。这是一种能量转换装置，由各种气动执行原件构成，可将压缩空气能转换为机械能，空压机将空气压入气缸后，在空气压力的作用下，气缸能够完成夹紧、松开的动作。当工业机器人在机床上放下工件之后，会自行退到一个相对安全的位置上，随后控制系统会向机床发出一个夹紧的指令，此时气缸会执行动作将待加工的工件夹紧，当机床加工完毕后，气缸会自动松开，等候机器人对工件进行抓取。
3）机械手气路设计。工业机器人的机械手采用的是钳式三爪，通过气缸实现对工件的夹持。因此，需要设计气路完成连接。机械手上的三爪气缸由电磁阀进行控制，与气缸的进出气口进行连接。
4）I/O连接。机械手的手爪与快换接头的电磁阀需要接收机器人发出的指令控制动作，在设计时，可对机器人自带I/O板卡上的电气控制线路加以利用，分别对气缸的电磁阀和快换接头的电磁阀进行控制。同时，可将继电器的接头与电磁阀控制电路进行连接，这样一来，便可通过电磁铁对三爪气缸的张、合进行控制。此外，气缸的张、合还需要对机器人进行信号反馈，可以磁性开关作为检测元件，并将反馈信号与机器人的输入接口相连接。
2.3板卡设置
该工作站采用标配通信方式，可满足机器人主从站通信、数据通讯等功能的实现。在板卡1和2上分别设置地址10、11，在板卡1的左方设置一列端子排，端子排共有接口12个。其中，连接总线的接口为1～5，分别接入电源线（2根）、信号线（2根）和接地线（1根）；预留接口6，分别在接口7～12中设置对应的地址值，接口7设置1，接口8设置2，接口9设置4，接口10设置8，接口11设置16，接口12设置32。由于板卡1的设置地址为10，所以只需剪短接口8与接口10即可。对于板卡2而言，其所设置的地址为11，所以按照上述方法只需剪短接口7、接口8和接口10即可。
2.4机器人设置
1）工具坐标系的构建。工具坐标的主要作用是对机械手爪的重要参数进行描述，当机器人上电启动之后，应当将手爪的传输控制协议移至工具的末端，为实现传输控制协议的移动，需要新建一个工具坐标系。本文所设计的工作站采用的双工位手爪，所以需要建立两个工具坐标系，可借助编程语言，完成坐标系的构建。
2）机器人点位布设。机器人共布设4个部分的点位数据，分别为：设点的X、Y、Z的坐标值；设点的欧拉角度，围绕坐标轴进行旋转，表示Rx、Ry、Rz值；设q1、q2、q3、q4为表示方向的四元数，要求四元数的平方之和等于1，表示机器人的点位方向；设外轴数据。为确保机器人按照预设行走轨迹运行，还要设置运动起点与终点，并对机械人运行的每个工作位置进行试验校正，确保机器人工作不会碰触到其他设备。根据机器人运行的精度要求，可设置28个点位对机器人运动进行控制，实现机械人的预期运行轨迹。
3、结语
人工手动方式为机床进行上下料，不但效率低，而且工人的劳动强度大，安全性也无法得到保障。为解决这一问题，可在机床上下料工装设计中对工业机器人进行合理应用，通过在机床中间设置工业机器人，利用机械手完成待加工工件的上下料操作，由此不但能够使机床的利用效率获得显著提升，而且还能减轻现场操作人员的劳动强度，作业安全性也随之提高。
参考文献：
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[2]韩鸿鸾.工业机器人与CNC机床集成上下料工作站技术应用[J].金属加工(冷加工),2018(1):141-144.
论文作者:何智武
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
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