随着现代科技的迅猛发展以及全球经济一体化进程的持续加速,汽车市场对零部件的需求愈发多样化和个性化,汽车制造业面临着日趋激烈的竞争态势。与此同时, 大数据、云计算、物联网等前沿技术的兴起与日臻成熟,为汽车零部件机械加工领域带来了崭新的机遇与挑战。在此背景下,传统的汽车零部件机械加工模式已难以契合快速演变的市场需求,数字化柔性机加产线顺势而生。柔性机加产线具备快速适应各类汽车零部件品种和规格的加工能力,而自动上下料系统无疑是达成柔性生产的关键构成部分。自动上下料系统的结构及控制系统设计,在极大程度上左右着柔性产线加工汽车零部件的质量与稳定性。
当下,国内外在自动化上下料系统领域的研究均获取了一定成果,然而在服务于汽车零部件加工方面,仍存有若干问题亟待进一步探究和化解,例如系统在汽车零部件加工场景中的稳定性、可靠性和智能化程度等。针对现存的问题,依据汽车零部件的加工工艺需求,展开了面向汽车零部件柔性机加生产线自动装夹系统的研究,设计了由天轨、工业机器人、AGV 小车、自动松紧夹具以及自动开关门系统构成的自动上下料系统, 并基于西门子 S7-1200PLC进行运动控制与逻辑控制设计,达成汽车零部件上下料及装夹过程的无人化。
1、加工对象和工艺要求
加工对象
本柔性生产线的加工对象主要针对凸轮轴、半轴、喷油嘴、连杆、支座、齿轮、叶轮等需要进行车削、铣削或者车铣复合加工的汽车零件。
工艺要求
满足中小批量、多品种零部件的生产需求;能够根据零件的结构和加工要求,合理安排车削和铣削的顺序;引入自动上下料系统后加工精度达到机床本身的精度水平, 满足工件的精度要求;在保证质量的前提下,具有较高的加工柔性,尽可能地缩短加工周期,提升加工效率。
2、整体方案设计
整体生产线布局
整条柔性机加生产线由立体仓库、数控车削中心 (DONABATTCN10)、数控加工中心(VMC-850L)、自动上下料系统、视觉检测单元组成,如图1所示。生产线采用直线型布局,依次布置立体仓库、数控车削中心、数控加工中心和自动上下料系统。自动上下料系统主要由 AGV 小车、接驳台、天轨(第七轴),工业机器人、夹爪快换系统、机床自动推拉门、机床自动松紧夹具等模块组成。
自动上下料系统工作过程
自动上下料系统工作过程如下:
AGV小车从料仓中抓取毛坯件,按照规划的路线,将物料移转到接驳台指定位置,接驳台传送带将物料输送到指定位置待机器人抓取;机器人根据物料类型到夹爪快换台选择对应合适的夹爪,然后到接驳台抓取毛坯,精准送到机床夹具指定位置;接着机床夹具将工件夹紧;机器人退出后,机床对零件进行加工;机器人将加工完成的零件从机床中取出, 放置到测量单元;接着机器人将测量完成的工件移送到接驳台;最后 AGV小车将成品工件移送到立体仓库进行入库。
3、机械结构设计
机器人型号的选择
柔性机加生产线在应对复杂的上下料任务时,需要上下料机器人在不同的位置和姿态进行操作,对机器人的灵活性和适应性有较高要求。综合分析成本、精度、自由度、操作难度、场地布局、负载能力、稳定性等多方面因素,本文确定选择由 ABB集团研制的IRB2600型号的六轴机器人。IRB 2600 型号机器人荷重 20 kg, 工作范围 1.65m,重定位精度达到 0.04 mm,达到IP67 的防护等级。具有精度高、操作速度快的特点,并提供了包括落地安装、斜置安装、壁挂安装、倒置安装以及支架安装等多种灵活的安装方式。
机器人的安装方式确定
机器人的安装方式可以分为固定安装方式和增加第七轴的安装方式。考虑到机器人满足两台机床的上下料, 以及零件在两台机床的流转,本文设计为增加第七轴的安装方式。第七轴一般有地轨、立轨以及天轨三种安装方式。采用天轨安装可以节省地面空间,扩大机械手的工作范围,同时避免与地面设备和人员的干涉。基于这些优点,本设计选择天轨安装方式。根据上下料的工作区域和机器人的工作范围,同时考虑天轨与周边设备、建筑物结构等的空间关系,避免干涉和碰撞,确定天轨的行程为 5m,安装高度为2m,横梁中心与加工中心正面挡板的水平距离为1m。
第七轴驱动和传动设计
根据运动的需求特点,第七轴的驱动选择伺服电机驱动。伺服电机可以精确控制转速、转矩和位置,响应速度快,控制精度高,能够满足天轨机器人高精度、高速度的运动需求。传动方式选择齿轮齿条传动。齿轮齿条传动能够满足长距离的较重负载的传动,传动效率高,运行精度高。考虑到是长行程的直线运动,负载较重,故本文采用齿轮齿条传动,配合直线导轨加滑块进行导向。
1.机构运动的需求
(1)运动方向:水平横向移动;(2)负载重量:M=304+265=569kg(机器人本体及工件负载总重304kg,电机以及电机安装支座重量估算265kg);(3)移动速度:V=500mm/s=0.5 m/s ;(4)定位精度:0.1 mm;(5)行程: L=5m;(6)加速时间:t=0.1s。
2.关键零部件选型计算
首先分析计算系统加速度、水平推力,接着预选齿轮并计算其负载扭矩、齿轮转速、转动惯量。预选齿轮参数为齿数=24,模数 m=4,齿宽=40mm。借助solidworks 软件的迈迪工具进行齿轮强度校核,校核通过。齿轮相关参数如表1。
根据齿轮参数,选择相应适配的啮合齿条,选择浙昇机械设备有限公司 552 系列 42CrMo材质的斜齿齿条。齿条长度1m,总齿距误差0.04。根据行程的长度5m, 使用5条进行拼接安装。
通过功率计算预选杭州胜嘉传动有限公司110-180 系列130ST-M15015伺服电机。电机参数如表2。
根据传动比选择杭州胜嘉传动有限公司研制的 FABZ115-15-P1 型号减速机。减速比为 15 , 转动惯量 0.47kg·cm2。额定输出力矩为208N·m,大于负载扭矩190.09N·m,满足要求;容许径向力为6700N,大于齿轮额定推力4218.75N,满足要求。
在预选好电机、减速机、齿轮后,再计算校核齿轮的推力、惯量比,经校核满足要求。
导向与限位设计
在齿轮齿条传动的基础上设计直线导轨进行导向,确保机器人在天轨上移动的精度和平稳性。考虑到负载较重,选择上银公司(HIWIN )生产的重负荷滚珠线性导轨及滑块,型号 HGW35HA。该滑轨额定静负荷91.63kN, 基本动负荷60.21kN,经校核满足使用要求。
为了确保机器人第七轴移动的精确性和平稳性,防止机器人第七轴移动超出行程范围,保障设备及人员的安全,在第七轴行程的两端使用行程开关进行电气限位。当机器人沿轨道移动到两端触碰到行程开关时,控制系统接收到相应的信号,控制机器人停止运动,实现限位功能。同时为了保险起见,在第七轴的两端安装了橡胶块进行机械限位,实现双重限位。
天轨本体结构及安装附件设计
在完成驱动系统、传动系统以及导向定位相关零部件的设计和选型后,就可以基于天轨的运动需求以及零部件的安装连接需求进行天轨本体及安装附件的结构设计。除了满足运动及安装的需求以外,机器人天轨本体结构要能满足机器人及其夹持的物料的重量、驱动系统、传动系统、安装连接的附件的静态负载的承载要求,同时要满足工作过程中的动态负载,保证运行的精度和稳定性。
本文所设计的天轨本体及附件涵盖横梁、支撑柱、机器人安装板、托链、防护挡板等,如图2所示。天轨横梁和立柱使用矩形管型钢进行拼焊连接,在关键的受力部位及连接部分设计了加强肋板。对导轨安装面、齿条安装部分进行了精加工和表面处理,并设计了横柱辅助导轨及齿条的安装,确保安装的位置精度以及可靠性。进行结构设计时,基于 SolidWorksSimulation,对主要受力的横梁和立柱的受力状况进行了有限元分析,同时对横梁和立柱进行结构的拓扑优化,确定了天轨横梁以及立柱的结构形状与尺寸,满足了承载和安装的要求。
机器人末端夹爪的设计
根据加工对象的结构特点,机器人末端夹爪的设计选用平行外夹式气动手指,并根据零件的结构新增不同的拓展夹爪和气动手指连接,满足轴类和方形零件的夹取,确保抓取的稳定性和准确性。
另外,机器人末端夹具使用快换装置设计,可以针对不同的零件使用不同的拓展夹爪,实现快速换爪,大大缩短工具更换时间,提高生产效率。该装置由两部分组成, 分别是主盘和工具盘。主盘一般安装在机器人手臂上, 工具盘则安装在需要更换的夹爪上,其结构如图3所示。
接驳台设计
在自动上下料的过程中,不同设备或工序之间的工作节奏可能存在差异,这时就有必要增设一个物料接驳台。接驳台可以暂存物料,使上下料的流程更加顺畅,避免因节奏不一致导致的生产中断。同时,接驳台能够实现物料的准确定位和定向。通过特定的结构和装置,确保物料在传递过程中保持正确的姿态和位置,从而提高上下料的精度和准确性。
为了避免在上下料过程中 AGV 小车和上下料机器人发生位置的干涉,接驳台使用传送带设计,使物料从远端传送到靠近机床的一端。AGV 小车从仓库取出的物料先放置到传送带的远端,再由传送带传送到靠近机床的近端待机械手抓取。
同时考虑到 AGV 小车在行走过程会有一定的位置误差,在接驳台上设计了一个用于位置校正补偿的基于视觉识别的位置参考点,AGV 小车每次移送物料到接驳台放置物料前,都先扫描参考点进行位置的校正补偿,再把物料放置到传送带的指定位置。避免因为 AGV 小车位置误差导致物料放置位置的偏差,确保每次物料放置位置的准确性和一致性。此外,接驳台上还设计了基于射频识别的扫码器,来读取工件订单信息,实现物料加工全过程跟踪和追溯。
接驳台由基座、电机、传送带、耐磨条、扫码器等部分组成。由电机驱动,带动同步带运动进行传送物料。结构示意图如图4所示。
4、控制系统设计
控制流程
柔性机加生产线的生产起始于 ERP 系统下达订单任务,MES系统接收并解析订单详情,结合产线设备状态、物料库存等实际情况 进行生产计划排程。排程信息下达至自动上下料系统的控制程序后,由 PLC 控制程序的逻辑判断、运动控制、通信等不同模块与 MES系统协同完成上下料的动作过程。本文根据柔性机加生产线自动上下料系统的具体动作过程,制定了相应的控制流程,如图5所示,并基于此设计控制系统硬件架构、IO 接口分配以及控制程序。
系统硬件架构
整个柔性生产线控制系统硬件主要包括总控PLC、人机界面、天轨电机驱动器、天轨电机、机器人控制柜、立体仓库控制器以及传感器系统,如图6所示。采用混合控制方式, 立体仓库配备了独立的 PLC 以实现精准地仓储管理,加工机床和机器人拥有专属的控制器保障其高效运作,同时设置了西门子 S7-1200PLC作为总控对整体系统进行协调控制。各部分与总控PLC实时通信,进行数据交互。
I/O 接口分配
PLC控制过程简单来说就是将外部输入信号转换为外部设备能够识别的电信号,从而控制外部的执行机构。要实现 PLC与其它设备之间能够准确、稳定和高效地进行数据交换和通信,就要基于通信协议合理进行各硬件的 I/O 接口设计。根据各硬件的输入输出信号的需求分析, 包括来自传感器的模拟量和数字量输入信号,以及向执行器发送的模拟量和数字量输出信号,选用相应的输入输出模块,并进行了地址分配,遵循电气连接与布线规范,并将在系统搭建完成后进行全面测试与验证。主控 PLC 的 I/O分配如表3。
控制程序
本文在设计控制程序时,采用了模块化设计理念以确保系统的高效性与稳定性,包括系统初始化模块、运动控制模块、数据采集与处理模块、逻辑判断模块及通信模块。针对不同功能模块创建独立的函数或类,例如为系统初始化创建专门的“init_system”函数,数据采集与处理可设计“data_acquisition”模块,逻辑判断则构建“logic_judgment”模块。各模块各司其职、协同合作,使控制程序得以精准指挥整个产线高效稳定运行,达成物料自动上下料的智能化运作,有力提升柔性机加生产线的生产效能与自动化水平。
在自动上下料过程中,涉及不同设备单元的协同工作问题,为了确保安全,编制PLC控制程序时要特别考虑安全互锁的要求。要根据预设的条件和逻辑规则来判断和执行相应的操作,有效地实现安全互锁。比如机器人上下料时要考虑机床推拉门的开合以及夹具的松紧协同问题。
5、虚拟仿真调试
自动上下料系统在实际投产运行之前,要对 PLC控制程序、工艺过程、机器人操作进行虚拟仿真及调试,对发现的问题进行优化调整,确保系统运行的稳定性和可靠性。
PLC控制程序的仿真基于博途软件进行,在博途中按照控制要求编好 PLC程序后,进行硬件组态、输入输出模块,以及通信配置。通过模拟输入信号,观察 PLC输出的变化,验证控制程序的正确性和稳定性。工艺过程的仿真使用 ProcessSimulate软件进行,在软件中定义各部件的运动轨迹、动作顺序和时间间隔,模拟物料在生产线上 的流动过程。通过与 PLC 控制程序进行连接,实现控制 逻辑与工艺过程的协同仿真,检查工艺过程中是否存在碰撞、干涉等问题。工业机器人的仿真使用 ABB机器人自带的软件进行,通过仿真优化机器人的动作轨迹,并与 PLC控制程序、工艺过程仿真进行整合,确保整个上下料过程的协同工作。
6、结论
本文设计的柔性机加生产线自动上下料系统,通过合理的方案设计、机械结构设计选型和控制模块开发,能够满足车削、铣削以及车铣复合类汽车零件的加工需求,提高生产效率和加工质量,具有较高的柔性和系统稳定性。通过虚拟仿真设计与验证为系统的实际应用提供了可靠地验证,缩短了柔性加工生产线上下料系统的开发周期, 降低现场调试成本和机械结构优化成本。未来,随着技术地进步以及研究地深入,该系统还可进一步优化和完善, 以适应更复杂的生产环境和更高的生产要求。
参考文献略.