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數控車床上下料調控係統的（de）研究

2024-4-26 來源：江（jiāng）蘇省海安中等專業學校作者：徐（xú）曉燕

摘要：針對機床采用人工上下料所存在的勞動強度大、生產效率低的問題，提出（chū）了一（yī）種以機械手為核心的機床自動上下料係統。對該係統的結構、工作原（yuán）理及控製流程進行了詳（xiáng）細的分析。根據實際應用表明（míng），該數控車床（chuáng）自動上下料係統能夠實現數（shù）控機床的自動上下料，減少 2 名操作（zuò）員工，為落後機床的（de）自動化改（gǎi）造提供了指導，具有（yǒu）極大的（de）應用推廣價（jià）值。

關鍵詞：數控車床上（shàng）下料自動（dòng）控製

引言

隨著國內“工（gōng）業 4.0”進程的不斷發展，對（duì）製造業的智能化和自動化（huà）要求不斷提（tí）升，目前國內多數的車床在（zài）上下料（liào）方麵均采用的是人工（gōng）上下料，不僅勞動強度（dù）大、效率低，而且人工在取放（fàng）料的（de）過程中存在著較大的危險性，嚴重限製了數控機床生產效率的進一步提升。

為了提高數（shù）控機床生產的效率和安（ān）全性（xìng），同時控製改造成本，本文提出了在數控機（jī）床旁增加一個（gè）機械手裝置，利用 PLC 控製係（xì）統控製機床和機械手（shǒu）聯動的改造方案。該方案隻（zhī）需（xū）增（zēng）加一個（gè）機械手，同時對數控機床的控製係統進行升級，實現了機床和機械手的聯動運行控製。根據實際應用表明，該機床上下料控製係統能夠實現物料的自動取（qǔ）放，將機床生產效率（lǜ）提升了 2.6 倍，消除了人工取放定位精度（dù）差、安全性不足的隱患，具有極大的推廣應用價值。

1、自動上下料係統構成

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

圖 1 自動上下料係統結構（gòu）示意圖

該控製係統中的硬件結構包括控製器、伺服（fú）係統、交流電機、各類傳感器等，而其軟件係統則主要是用於控製數控機床和機械（xiè）手的聯動運行，其控製程序設置在示教器和遠程控製中心內，同（tóng）時滿足就地（dì）控製和遠程控製的需求。

1.1 自動上下料控製係統

對（duì）於數控機床的自（zì）動上下料控（kòng）製來說，首先要保證上下（xià）料定位的（de）精確性，其次（cì）要能保證自動上（shàng）下料（liào）的效率滿足（zú）數控機（jī）床的生產節拍需求。因此該自動上下料控製係統必須能（néng）夠（gòu）保證（zhèng）控（kòng）製精確性、快速性的需求。在對多種運動機器（qì）人控製（zhì）器的應用情況進行分析後，最終選用了一款滑軌機器人控製器，其具有（yǒu）體積小、容量大的特點，其數（shù）據（jù）通信係統采用了工業以太網（wǎng）總線（xiàn），能夠滿足瞬時大容量的數據通信需求，而且采用了雙屏蔽電纜（lǎn），能夠有效抵抗外界幹擾，確保信息傳輸的精確性。在設（shè）定控製邏輯時，首先需要根據（jù）數控機床、滑軌機（jī）器人的布局（jú）情況合理選擇（zé）上下料的路線，並根據上下料路線（xiàn）設置上下料控製程（chéng）序，使滑軌機器人的運行保持在一定的範圍內，保（bǎo）證數控機床在自（zì）動上下料（liào）過程中的安（ān）全性。

為了滿足自動上下料控製（zhì）係統的拓展需求，在控製器選擇時，選擇了具有 21 路輸入接口和 24 路輸出接口的多接口控（kòng）製器，各個接（jiē）口均采用了標準化端口，能（néng）夠（gòu）快速的進行模塊的（de）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（zhì）係統構成如圖 2 所示。

圖 2 數控機床控製係統框架

1.2 伺服係統（tǒng）

滑軌機器人的機械手在進行零件取（qǔ）放的（de）過程（chéng）中，需要（yào）運行平穩、取放（fàng）精度（dù）高，因此要求取件的伺服控製係統具有極高（gāo）的控製精度和控製平（píng）穩性，不能存（cún）在丟步現象。傳統脈衝式伺服驅動係統雖然結構簡單（dān）、造價（jià）較低，但其控製穩定性較（jiào）差，因此在經過對比後選擇了總線式伺（sì）服驅動係統，該伺（sì）服係（xì）統可以通過標準接口和控製模塊相連接，保證了數（shù）據傳輸的精確性和高速傳輸需求（qiú）。總線式伺服驅動係統的整體結構如圖 3 所示。

圖（tú） 3 伺服驅動係統（tǒng）結構示意圖

1.3 電機（jī）選（xuǎn）擇

目前各驅動控製係統在選型時一般優先選擇步進電機，但步進電機在工作（zuò）中容易出現丟步現象，將導致取料係統的定位偏差，影響數控機床的運行安全性（xìng）。因此在綜（zōng）合對（duì）比後選擇（zé）了交流伺（sì）服電機作為該上下料控製係統的驅動裝置（zhì），提（tí）高上下料係統在（zài）工作中（zhōng）的精（jīng）確性（xìng）和運行平穩性。

2、上下料控（kòng）製原理

該驅動係統在工作中直接對滑軌機器人進行控製，通過（guò）在 X 軸上的運動帶動機械手（shǒu）運行，然後利用Z 軸的移動來實現機械手對物料的抓取或者（zhě）釋放。

為了滿足滑軌機器人和（hé）數控機床聯動運行的控製需求，需將兩者的控製和通（tōng）信係統進行改造，設置標準化的 I/O 接（jiē）口，並聯所需的信號與控製係統實現 I/O 數據通信。在進行上下料運行控製時，控製中心首（shǒu）先獲取數控機床的運行狀態信息，對（duì）其下一階段的運行情況進行判斷，然後提（tí）前（qián）發出控製信息給滑軌機器人，使滑軌機器人（rén）提前準備（bèi）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銜接，提高（gāo）機床（chuáng）在工作時的運行（háng）效率。該（gāi）自動（dòng）上下（xià）料控（kòng）製邏輯如圖 4 所示（shì）。

圖 4 數控（kòng）機床自動上下料控製邏輯示意圖

3、應用現狀分析

以 CKD6180D 數控（kòng）機床為例[9]，對其進行自動化上下料係統改造，然後對其應用前後的（de）狀態進行對比結果如表 1 所示。

表 1 不同上（shàng）下料（liào）方式對比

由（yóu）實際驗證結果可（kě）知，采用新的自（zì）動上下料係統後，每個工件的平均上下料（liào）時（shí）間降低了 57.1%，由於（yú）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（bǐ）采用人工生產提升了 2.6倍，因定位不精（jīng）確而導致的不合格（gé）品的數（shù）量（liàng）則降低了83.3%。由於（yú）采用了精準定位模式，因此每個零件的平均定位精度比（bǐ）優化前提升了 95%，而由於定位不精確而導致的工件（jiàn）異常數量則比優化前降低了 99.5%。因（yīn）此，通過實際應（yīng）用分析，新的數控機床自動上（shàng）下料係統（tǒng），不僅能夠（gòu）顯著提升數控機床的工作效率，而且能夠有效降低其在工作過程中的異常率，極大地提升了工廠的生產經濟性，因此具有極（jí）大的（de）應用推廣價值。

4、結論

1）機床上下料控製係統的硬件結構包括（kuò）了控製器（qì）、伺服（fú）係統（tǒng）、交流（liú）電機、各類傳感器等，能夠顯著提（tí）升其控製可靠性。

2）總（zǒng）線式伺服驅動係統可以通過標準（zhǔn）接口和控製（zhì）模塊相連接，從而保證了數據傳輸的精確性和高速（sù）傳輸的可靠（kào）性。

3）該機床上下料控製（zhì）係統（tǒng）能夠實現物料的自動取放，將機床生產效率提升（shēng）了 2.6 倍，將因定位不精確而導（dǎo）致的工件異常數量降低 99.5%。

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