工業(yè)機(jī)器人下精密模具制造設(shè)計(jì)探析

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0引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略全面推進(jìn)實(shí)施的背景下，智能制造已成為了制造業(yè)革命的核心，擁有更多能夠掌握這一技術(shù)的實(shí)用人才將是今后競爭的關(guān)鍵[1]。而工業(yè)機(jī)器人作為一種全新的技術(shù)體系，在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域具有顯著地位，能夠促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)更新以及深入發(fā)展[2-4]。全國智能制造應(yīng)用技術(shù)大賽著眼于提高學(xué)校智能制造教育水平，旨在引導(dǎo)優(yōu)秀工程人才的培養(yǎng)，推廣和應(yīng)用智能制造技術(shù)[5]。針對智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造控制進(jìn)行研究，工業(yè)機(jī)器人示教實(shí)操與編程應(yīng)用貫穿全程，運(yùn)用RoboDK仿真系統(tǒng)搭建模型對路徑優(yōu)化的可行性進(jìn)行測試驗(yàn)證，最優(yōu)路徑優(yōu)化有效減少示教點(diǎn)的個數(shù)。因此快速準(zhǔn)確的編程示教來提高工作效率是研究的重點(diǎn)。

1智能模具制造系統(tǒng)簡介與組成

智能模具制造聚焦精密模具加工領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)際，在精密模具制造技術(shù)中融入工業(yè)機(jī)器人、信息化、智能化管控等智能制造技術(shù)，圍繞模具智能制造系統(tǒng)調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人編程與操作、模具裝配與智能成型等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在促進(jìn)智能制造領(lǐng)域高素質(zhì)復(fù)合型技能人才的技術(shù)提升和培養(yǎng)。該綜合系統(tǒng)是匯博機(jī)器人公司依據(jù)全國智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造要求和當(dāng)前市場需求按照“設(shè)備自動化+生產(chǎn)精益化+管理信息化+人員高效化”理念開發(fā)而成，該系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工、MES智能管控技術(shù)等為核心，將工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工、智能檢測、信息采集等典型加工制造設(shè)備集成為智能制造單元“硬件”系統(tǒng)，結(jié)合智能化控制技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效加工技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)RFID數(shù)字信息技術(shù)等“軟件”的綜合運(yùn)用構(gòu)成精密模具智能制造系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)模型及實(shí)物如圖1所示。

2智能模具制造任務(wù)節(jié)拍控制設(shè)計(jì)

精密模具智能制造單元進(jìn)行模具的智能加工過程主要包含智能制造系統(tǒng)測試、模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與編程、工業(yè)機(jī)器人編程、模具智能加工與生產(chǎn)管控、模具裝配與智能成形五大環(huán)節(jié)。其中機(jī)器人自動搬運(yùn)上下料貫穿于制造加工的整個過程，因此機(jī)器人的編程示教與調(diào)試顯得尤為重要。

2.1機(jī)器人手抓快換節(jié)拍分析及程序設(shè)計(jì)

料倉物料搬運(yùn)需通過機(jī)器人手抓系統(tǒng)夾取，對于不同的物料共需要三種不同型號的夾爪，因此整個上下料過程中正確快速選取夾爪是節(jié)約時間提高效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。機(jī)器人夾爪擺放在同一平面，在空間坐標(biāo)系Y軸方向依次排開，夾爪位置前方安裝光電檢測傳感器來檢測夾爪是否在位，夾爪在位時PLC輸出信號為TRUE，否則PLC輸出為FALSE。料倉結(jié)構(gòu)呈垂直矩形分布，共五行六列，電極料放置第一行，鋼毛坯構(gòu)件放置第二、三行，沖壓成型板毛坯料放置第五行，半成品板料放置第四行可翻轉(zhuǎn)卡位，成型料放置第四行前四列。料倉分布模型及實(shí)物圖如圖2所示。根據(jù)料倉的分布特點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人給數(shù)控銑床、三坐標(biāo)測量機(jī)、電火花機(jī)和沖壓床上下料時PLC系統(tǒng)發(fā)送的相應(yīng)信號，通過行H和列I來特定判斷料倉工件型號，然后結(jié)合夾爪是否在位信號應(yīng)用邏輯判斷語句來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人手抓快換。用來減少快換過程中不必要的重復(fù)動作。

2.2上料節(jié)拍分析及路徑優(yōu)化仿真驗(yàn)證

由零件的加工工序分析可知，精密模具制造利用數(shù)控成形機(jī)上的三套模具來進(jìn)行板料拉深、切邊沖孔、彎曲，實(shí)現(xiàn)零件自動生產(chǎn)。根據(jù)沖壓上料任務(wù)要求分析可知，沖壓成型生產(chǎn)過程每單獨(dú)生產(chǎn)一個零件需要三道沖壓工序，即需工業(yè)機(jī)器人分別實(shí)現(xiàn)工件從倉庫（5，1）、（4，1）、（4，2）、（4，3）位置到數(shù)控成形機(jī)A、B、C模具位置之間來回搬運(yùn)操作一次，機(jī)器人總的搬運(yùn)節(jié)拍6次，數(shù)控成形機(jī)啟動沖壓節(jié)拍3次，機(jī)器人換夾爪節(jié)拍1次。單獨(dú)完成一個工件任務(wù)節(jié)拍流程。為了提高加工效率，結(jié)合機(jī)器人搬運(yùn)工件路徑、示教編程特點(diǎn)和任務(wù)節(jié)拍分析，從任務(wù)節(jié)拍優(yōu)化和示教路徑優(yōu)化兩方面入手，并通過搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。（1）任務(wù)節(jié)拍優(yōu)化。通過任務(wù)節(jié)拍分析，將單件獨(dú)立加工改為多件連續(xù)加工，連續(xù)生產(chǎn)過程中需機(jī)器人對數(shù)控成形機(jī)A、B、C三個位置同時上料，使得數(shù)控成形機(jī)一次沖壓完成兩個半成品和一個成品的加工，減少數(shù)控成形機(jī)的沖壓動作和機(jī)器人的等待時間，有效提高機(jī)器人和數(shù)控成形機(jī)的利用率，同時又可以隨機(jī)控制加工工件的數(shù)量。具體的節(jié)拍流程如圖3。（2）示教路徑優(yōu)化。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工件從倉庫到數(shù)控成型機(jī)的搬運(yùn)操作，通常需要示教起始點(diǎn)、預(yù)抓取點(diǎn)、抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)和放置點(diǎn)至少為5個點(diǎn)，由于預(yù)抓取點(diǎn)與抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)和放置點(diǎn)的運(yùn)動路徑可設(shè)定為處于某一軸同方向上的直線運(yùn)動，因此通過示教抓取點(diǎn)、放置點(diǎn)位置后，利用坐標(biāo)軸的偏移可以非常便捷地確定預(yù)抓取點(diǎn)、預(yù)放置點(diǎn)位置，從而省去預(yù)抓取點(diǎn)和預(yù)放置的示教操作。同時倉庫的位置和數(shù)控成型機(jī)A、B、C模具位置均比較集中，因此可以只設(shè)置一個總起始點(diǎn)和預(yù)放置點(diǎn)，這樣可以減少示教點(diǎn)位，統(tǒng)一倉庫到數(shù)控成型機(jī)的運(yùn)動路徑可以減小示教誤差[7]。針對機(jī)器人示教路徑進(jìn)行優(yōu)化時遵循以下兩點(diǎn)：第一，示教點(diǎn)必須選取能精確定位的卡盤位置，自動運(yùn)行時能使機(jī)器人精準(zhǔn)再現(xiàn)取放位姿。第二，示教點(diǎn)能夠安全有效的優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動軌跡，既能確保兩點(diǎn)之間距離最短，又便于通過示教點(diǎn)在坐標(biāo)軸向上的相對偏移來確定必要的取放位置。按照上述（1）、（2）優(yōu)化規(guī)則搭建仿真模型如圖4所示，仿真模型按節(jié)拍依次完成如下動作：第一步從料庫取坯料送進(jìn)沖壓機(jī)A處拉深工位，手爪退出，沖壓成形后機(jī)器人取拉深件并放回料庫可翻轉(zhuǎn)卡位；第二步從料庫取坯料送進(jìn)A處拉深工位，手爪返回料庫取拉深件送進(jìn)B處落料工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫可翻轉(zhuǎn)卡位1，再取沖孔落料件放回料庫可翻轉(zhuǎn)卡位2；第三步從料庫取坯料送進(jìn)A處拉深工位，手爪返回料庫翻轉(zhuǎn)卡位1取拉深件送進(jìn)B處落料工位，手爪再次返回料庫取翻轉(zhuǎn)卡位2沖孔落料件送進(jìn)C處彎曲工位，手爪退出，沖壓成形后先取拉深件放回料庫可翻轉(zhuǎn)卡位1，然后取沖孔落料件放回料庫可翻轉(zhuǎn)卡位2，最后通過手爪快換并取出彎曲件放回料庫成品工位。由此可以完成工件的連續(xù)加工，仿真過程驗(yàn)證了路徑節(jié)拍規(guī)劃的可行性。

2.3沖壓上料程序設(shè)計(jì)與調(diào)試驗(yàn)證

機(jī)器人沖壓上料程序采用主程序調(diào)用模式，沖壓子程序內(nèi)嵌套相應(yīng)的取料和快速換手抓子程序，由此進(jìn)一步完善了程序的邏輯關(guān)系，減少了程序的復(fù)雜編輯輸入過程。通過編程示教和實(shí)操調(diào)試結(jié)果表明，控制設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動路徑的準(zhǔn)確示教定位，簡化程序的編程過程，減少機(jī)器人冗余的重復(fù)動作，提高了程序編程效率和機(jī)器人搬運(yùn)效率。

3結(jié)語

隨著傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級，以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度、高效率加工的要求，工業(yè)機(jī)器人自動上、下料系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床輔助部件越來越受到機(jī)床制造商和用戶的重視?；诠I(yè)機(jī)器人的精密模具制造控制設(shè)計(jì)在第三屆全國智能制造應(yīng)用技術(shù)精密模具制造賽項(xiàng)中已得到驗(yàn)證，通過任務(wù)節(jié)拍分析和路徑優(yōu)化使得示教過程簡化，同時改進(jìn)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得程序編寫簡短快捷，機(jī)器人能夠連續(xù)平穩(wěn)的工作，有效的節(jié)約示教時間，極大的提高了工作效率。項(xiàng)目基金：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（18A510008）。

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作者:馮占偉 李亞萍 單位:河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院