數(shù)控機床智能化改造技術(shù)案例探討
2021-1-29 來源： 山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：蔡啟培 朱東霞
摘要：以實現(xiàn)工件上下料為基本功能，以寶雞 CK7520 全功能數(shù)控車床和廣數(shù) GSK RB08 搬運機器人作為改造實例，介紹了數(shù)控機床改造的整體思路、改造過程的 4 個階段及相關(guān)技術(shù)。改造過程中，首先根據(jù)功能需求步確定改造方案；其次，根據(jù)改造方案確定擬改造的設(shè)備，并對設(shè)備進行性能評估和調(diào)試，為改造技術(shù)的難點；最后，設(shè)備聯(lián)動調(diào)試階段，務(wù)必保證信息傳遞的完整性、準(zhǔn)確性、適時性、穩(wěn)定性以及硬件配置的合理性。隨著社會的發(fā)展，人力資源成本不斷提高，尤其對于一些重復(fù)性程度較高、作業(yè)難度大、環(huán)境不適合人長時間作業(yè)的場合，數(shù)控機床的智能化改造將會極大地提高勞動生產(chǎn)率，為企業(yè)節(jié)省人力、物力和財力。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 智能化 機器人
1、數(shù)控機床智能化改造的意義
高度自動化的無人車間，是近幾年我國制造業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個縮影。目前，工信部共啟動了 109 個智能制造試點，并取得了顯著成效。伴隨著智能制造試點的推進，機器人的使用迅速增加，尤其適用于作業(yè)難度大的行業(yè)、國際應(yīng)用最廣泛的焊接領(lǐng)域以及高端應(yīng)用集中的汽車行業(yè)等。中國是一個傳統(tǒng)的機械制造大國，但其裝備水平相對落后，自動化程度較低。特別是一些老的機械制造廠，設(shè)備多是老式的數(shù)控機床，遠遠不能滿足加工要求，尤其是自動化要求。隨著社會的發(fā)展，人力資源成本不斷提高，尤其對于一些重復(fù)性程度較高、作業(yè)難度大、環(huán)境不適合人長時間作業(yè)的場合，能夠?qū)崿F(xiàn)基本裝料、卸料等功能的自動化，將會極大地提高勞動生產(chǎn)率，為企業(yè)節(jié)省人力、物力和財力。例如：根據(jù)某市人社部門對全市部分企業(yè)職工的工資收入進行抽樣調(diào)查，經(jīng)統(tǒng)計、匯總和分析，確定了 50個工種的勞動力市場工資指導(dǎo)價位，其中數(shù)控機床操作工月收入多在 4500 元上下，人力成本約 11 萬每年（按每臺機床需 2 名工人計算）。每臺數(shù)控機床改造的費用約為 10 萬（配置經(jīng)濟型機器人），且改造后的設(shè)備可以持續(xù)性使用（正常維護 10 年左右），設(shè)備改造后一人可以操作多臺機床。相比之下，雖然設(shè)備改造費用相對較高，但從長遠分析可以節(jié)省大量成本，且可以克服工人操作機床帶來的缺陷。
2、改造思路
根據(jù)改造后擬實現(xiàn)的功能，確定改造的總框架圖、總體方案以及改造流程等。數(shù)控機床智能化改造整體分為 4個階段——總體方案設(shè)計，設(shè)備選用，設(shè)備調(diào)試，設(shè)備聯(lián)動調(diào)試階段。
3、總體方案設(shè)計
本次改造實例的背景為某企業(yè)加工的零件多為批量生產(chǎn)，企業(yè)目前具有多臺數(shù)控機床。改造的功能要求為數(shù)控加工過程中機器人完成給定工件的自動上下料，實現(xiàn)工件加工的自動化控制。
3.1 數(shù)控機床改造方案
數(shù)控機床接收機器人上料完成的信號，并將工件加工完成的信號反饋給機器人，指導(dǎo)機器人完成下料工作。例如：當(dāng)機器人完成上料動作，機器人發(fā)送信號到數(shù)控機床IO MODBUS 模塊中的 X100.1，當(dāng)數(shù)控機床 IO MODBUS模塊中的 X100.1 地址接收到信號，在調(diào)用循環(huán)啟動命令，開始工件的加工。
3.2 機器人改造方案
機器人根據(jù)輸入信號的不同，完成上料、下料、適時發(fā)送到位信號的工作。機器人改造方案設(shè)計框圖如圖 1 所示，工步 1 為上料動作，工步 2 為下料動作。根據(jù)設(shè)計框圖，分配的 I/O 地址如表 1 所示。
圖1 機器人改造方案設(shè)計框圖
表 1 機器人 I/O 地址分配
4、設(shè)備選用
設(shè)備評估的主要依據(jù)是保證設(shè)備具有改造的可行性，且其性能能夠達到既定的功能要求。本次改造擬實現(xiàn)數(shù)控車床和工業(yè)機器人協(xié)調(diào)動作，完成設(shè)備的自動上下料等基本功能自動化，要求機床具備液壓卡盤、自動防護門等結(jié)構(gòu)。因此，數(shù)控機床選用寶雞CK7520
全功能數(shù)控車床，系統(tǒng)采用 FANUC 0i-TC 系統(tǒng)，寶雞機床廠生產(chǎn)，后置刀架，機床設(shè)置 12 刀位，但是機床防護門開關(guān)需改造為氣動控制。機器人選用廣數(shù) GSK RB08搬運機器人，GSK RB08 型機器人可廣泛應(yīng)用于物流搬運、機床上下料、沖壓自動化、裝配、打磨以及拋光等用途。
5、數(shù)控機床調(diào)試
數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生故障的原因很多，因此需要對機床進行嚴(yán)密的故障排查。常見故障包括系統(tǒng)故障、電氣故障和機械故障。數(shù)控系統(tǒng)故障分析的常見方法有目測、觸摸檢測、通電檢測、儀器檢測、可編程器的檢測分析以及備件替換診斷法。
現(xiàn)場診斷是進行故障排查的核心內(nèi)容，診斷的內(nèi)容包括初步尋找故障發(fā)生的部位、檢查系統(tǒng)與外圍線路的連接、具體分析和排除故障（如采用替換故障配件的方法排除故障）、運行機床驗證數(shù)控系統(tǒng)能否恢復(fù)正常等。一些特殊情況下，需要對元器件進行定位檢測。
6、工業(yè)機器人性能測試
根據(jù)設(shè)計方案，機器人擬實現(xiàn)的功能包括機械手抓取工件、移動工件到卡盤位置、適時的發(fā)送到位信號以及返回倉儲位置等。因此，本設(shè)備的性能測試內(nèi)容包括：檢查路線、開關(guān)位置、指示燈等，使其均處于正常狀態(tài)；測試輸入、輸出地址，保證其在正確狀態(tài)。可以根據(jù)設(shè)計方案，對擬使用的 I/O 地址進行簡單的調(diào)試操作；功能的模擬或調(diào)試。通過錄入程序，驗證機器人是否可以完成既定功能。部分程序如下（以下為工步1上料程序）。工步 1 部分程序：
7、設(shè)備聯(lián)動調(diào)試
數(shù)控機床與機器人之間的聯(lián)動調(diào)試為改造的難點之一，涉及眾多技術(shù)難題。尤其在數(shù)控機床與機器人協(xié)同工作的過程中，必須保證信息傳遞的完整性、準(zhǔn)確性、適時性、穩(wěn)定性以及硬件配置的合理性、經(jīng)濟型。FANUC 系統(tǒng)與外圍設(shè)備的常見協(xié)調(diào)方法有 3 種：
（1）FANUC 系統(tǒng)主板增加擴展板，但是費用高，所以9 成的自動化公司通過 FANUC IO 點方式與第三方 PLC 通信；
（2）一般總控 PLC 和 FANUC 系統(tǒng)之間通過 IO 點連接，但是存在以下問題：電器柜中電纜多，容易混亂；需要查找設(shè)備不用的 IO 點，對工程人員的技能要求較高，且存在一定的風(fēng)險；需要根據(jù) IO 點數(shù)量調(diào)整電纜的規(guī)格；
（3）FANUC 公司推出的 IO-MODBUS 模塊價格相對便宜，連接方便，采用獨立的 IO 點不易出錯。
本案例改造的功能相對簡單，因此采用 IO-MODBUS模塊完成所需功能，選擇輸入點 X100.0 和 Y100.0 作為 IO-MODBUS 模塊與機器人的輸入和輸出地址，通過 PMC 操作界面完成 I/O 模塊的地址分配。為滿足工業(yè)機器人在數(shù)控機床上的某些功能，必須對數(shù)控機床軟件進行二次開發(fā)，按照設(shè)計方案編制系統(tǒng)梯形圖。
8、結(jié)語
針對目前制造業(yè)的技術(shù)裝備現(xiàn)狀對傳統(tǒng)數(shù)控設(shè)備進行改造，使其不僅滿足機床應(yīng)有的加工要求，而且能夠完成基本的裝、卸料等任務(wù)。用現(xiàn)代先進技術(shù)改造和提升舊的設(shè)備，適應(yīng)智能化設(shè)備的需要，是我國制造業(yè)的發(fā)展方向。對設(shè)備的智能化改造涉及諸多技術(shù)方法，在實際過程中需根據(jù)具體情況選擇合適的設(shè)計方案，解決不同的技術(shù)難題，以滿足不同企業(yè)的需求。
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