莊源昌

(常州數(shù)控技術(shù)研究所，江蘇常州 213164)

0 前言

棘輪補(bǔ)償裝置是高速列車(chē)牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵裝置，會(huì)影響到整體接觸網(wǎng)電力輸送的安全性，一般由棘輪本體、棘輪軸、棘輪支架、補(bǔ)償繩、平衡輪、墜砣等組成[1]。

棘輪本體是棘輪下錨裝置的核心關(guān)鍵部件，采用鋁合金低壓鑄造工藝，工藝中主要有中間與軸承配合的軸孔的加工，軸孔由于形位公差要求嚴(yán)格，加工精度要求高，需要人工全檢，是棘輪本體加工的難點(diǎn)[2]。

傳統(tǒng)的加工工藝是采用數(shù)控車(chē)床2次裝夾定位，但是其重復(fù)裝夾定位累計(jì)誤差較大，往往造成裝配孔同軸度超差，很難滿足要求[2]。目前國(guó)內(nèi)大多采用立式加工中心，采用一次裝夾定位完成軸孔和端面等工藝的加工，再結(jié)合人工全檢測(cè)量的方式控制成品率，具有較好效果，但是生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度和可追溯性不夠[3]。國(guó)外的自動(dòng)化生產(chǎn)線已大量采用機(jī)器人和傳感器技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的在線監(jiān)控和無(wú)人化加工[4-5]。

隨著機(jī)床柔性生產(chǎn)和在線測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)棘輪的自動(dòng)上下料成為可能[6-7]。本文作者設(shè)計(jì)專(zhuān)用的上料夾手與2臺(tái)立式加工中心配合，實(shí)現(xiàn)2臺(tái)立式加工中心的柔性生產(chǎn)，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和在線測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一條生產(chǎn)過(guò)程無(wú)人化的棘輪柔性生產(chǎn)線，以有效地提高棘輪生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和成品率，提高高鐵接觸網(wǎng)相關(guān)核心零部件的生產(chǎn)信息化水平。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)

自動(dòng)線布局如圖1所示，由上料區(qū)、上料輸送帶、下料輸送帶、工業(yè)機(jī)器人、2臺(tái)加工中心、下料區(qū)等功能區(qū)組成，工業(yè)機(jī)器人在上料輸送帶上夾取棘輪胚料，交互給2臺(tái)加工中心自動(dòng)上料，待加工完成后，通過(guò)下料緩沖輸送帶傳送到下料區(qū)。

圖1 生產(chǎn)線布局

1.2 控制系統(tǒng)硬件方案構(gòu)建

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控制臺(tái)由觸摸屏、工控機(jī)和網(wǎng)關(guān)組成，工控機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制器和2臺(tái)加工中心網(wǎng)絡(luò)通信，現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制器通過(guò)Ethernet IP協(xié)議與ABB機(jī)器人控制器通信。

圖2 自動(dòng)線控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.3 工控系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

自動(dòng)線的加工中心使用FANUC 0i-MD系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口函數(shù)庫(kù)是FOCAS(FANUC Open CNC API Specifications)函數(shù)。該函數(shù)庫(kù)主要提供軸信息、加工文件操作、宏變量數(shù)據(jù)、刀具壽命管理、歷史數(shù)據(jù)記錄、PMC數(shù)據(jù)通信和其他信息讀寫(xiě)等接口函數(shù)[8]。

控制系統(tǒng)通過(guò)C#語(yǔ)言編寫(xiě)上位控制軟件采集數(shù)據(jù)和決策，調(diào)用FOCAS庫(kù)提供的Fwlib32.dll和Fwlibel.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)接口函數(shù)的調(diào)用，工控機(jī)和FANUC數(shù)控系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)控制軟件對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部宏變量區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，完成尺寸數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)算和存儲(chǔ)。

圖3 棘輪加工線數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人末端與機(jī)床夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)棘輪的外形尺寸和加工要求，設(shè)計(jì)定制化的機(jī)器人夾手和數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)工裝夾具，分別如圖4和圖5所示。

圖4 機(jī)器人末端夾手

圖5 數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化翻轉(zhuǎn)工裝

機(jī)器人夾手通過(guò)夾持棘輪外圓胚料進(jìn)行拾取操作，由2只夾緊氣缸、同步齒輪、仿形夾手和平面導(dǎo)軌等組成，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化夾具由液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、4只旋轉(zhuǎn)壓緊氣缸和吹屑裝置等組成，機(jī)器人夾手通過(guò)同步齒輪的約束，對(duì)中拾取棘輪胚料，自動(dòng)向數(shù)控機(jī)床上料，通過(guò)與自動(dòng)化夾具交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上料加工。

2.2 棘輪在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 棘輪在線檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

棘輪自動(dòng)線的檢測(cè)系統(tǒng)如圖6所示，由Renishaw在線接觸式測(cè)頭和對(duì)刀儀構(gòu)成，在線接觸式測(cè)頭由OMP60和OMI-2接收器組成，負(fù)責(zé)胚料的自動(dòng)找正和內(nèi)徑直徑測(cè)量[9]。

圖6 棘輪加工在線檢測(cè)裝置

接觸式對(duì)刀儀裝置，由高精度開(kāi)關(guān)、高硬度高耐磨性合金探頭和信號(hào)傳輸連接器等組成，通過(guò)數(shù)控機(jī)床刀具的碰觸觸發(fā)開(kāi)關(guān)，使數(shù)控系統(tǒng)感知刀具在機(jī)床坐標(biāo)下的方向和位置，通過(guò)與數(shù)控系統(tǒng)刀具預(yù)設(shè)的數(shù)值比較計(jì)算，獲取刀具的磨損與折損量、熱位移補(bǔ)償量等，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)償提高加工精度與生產(chǎn)合格率[10]。

Renishaw測(cè)頭用于FANUC數(shù)控系統(tǒng)上，此需求主要有以下程序模塊：

O9810 保護(hù)定位程序

O9814 內(nèi)孔/外圓測(cè)量程序(用于測(cè)量?jī)?nèi)孔或外圓。它使用了沿X、Y軸的4次測(cè)量移動(dòng)。)

O9832 旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟宏程序

O9833 旋轉(zhuǎn)關(guān)閉宏程序

在測(cè)頭及測(cè)頭偏置有效的情況下，把測(cè)頭定位到型面的中心線上，并位于合適的Z軸位置上。

指令格式：

G65 P9814 Dd Zz [Ee Ff Hh Mm Qq Rr Ss Tt Uu Vv Ww]

其中：Dd中的d為型面的名義尺寸。Zz中的z為測(cè)量外圓時(shí)的Z軸絕對(duì)位置。如果省略這個(gè)參數(shù)，就會(huì)假定為一個(gè)內(nèi)孔循環(huán)。

以下是測(cè)頭測(cè)量棘輪凹孔的上內(nèi)孔的加工代碼：

T12(換刀測(cè)頭)

M06

G54X0Y0(起始位置)

G43H12Z100(激活12號(hào)刀偏，定位到上100 mm)

G65P9832(開(kāi)啟測(cè)頭)

G65P9810Z-10.F500(移動(dòng)到定位平面下-10 mm)

G65P9814D53(測(cè)量一個(gè)直徑53 mm的內(nèi)孔)

G65P9810Z100(移動(dòng)到定位平面上100 mm)

G65P9833(關(guān)閉測(cè)頭)

#100 = #135(X坐標(biāo)保存到宏變量#100)

#101 = #136(Y坐標(biāo)保存到宏變量#101)

以下是測(cè)頭測(cè)量棘輪凹孔的下內(nèi)孔的加工代碼：

G54X0Y0(起始位置)

G43H12Z100

G65P9832(開(kāi)啟測(cè)頭)

G65P9810Z-25.F500(移動(dòng)到定位平面下-10 mm)

G65P9814D44(測(cè)量一個(gè)直徑44 mm的內(nèi)孔)

G65P9810Z100(移動(dòng)到定位平面上100 mm)

G65P9833 (關(guān)閉測(cè)頭)

#102 = #135(X坐標(biāo)保存到宏變量#102)

#103 = #136(Y坐標(biāo)保存到宏變量#103)

2.2.2 FOCAS接口數(shù)據(jù)采集

數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)加工程序結(jié)束后，通過(guò)Renishaw在線接觸式測(cè)頭觸碰棘輪的關(guān)鍵中心孔4個(gè)位置，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后保存在數(shù)控系統(tǒng)的宏變量區(qū)。棘輪加工線數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 棘輪加工線數(shù)據(jù)采集流程

控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用FOCAS庫(kù)函數(shù)cnc_rdmacror函數(shù)，實(shí)現(xiàn)批量的宏變量數(shù)據(jù)讀取。cnc_rdmacror函數(shù)體為cnc_rdmacror(Flibhndl，s_number，e_number，length，macror)；

函數(shù)返回是Focas1.IODBMR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體中可包含5個(gè)宏變量數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)體中mcr_val是返回的宏變量中省去小數(shù)點(diǎn)的整數(shù)值，dec_val是返回的宏變量小數(shù)點(diǎn)所在的位置值，提取后根據(jù)2個(gè)區(qū)域的值重組計(jì)算，獲得宏變量的實(shí)際浮點(diǎn)型數(shù)值。

2.3 控制PLC與機(jī)器人系統(tǒng)的總線控制

2.3.1 機(jī)器人系統(tǒng)的總線配置

自動(dòng)線采用ABB工業(yè)機(jī)器人，邏輯控制單元通過(guò)Ethernet IP總線與機(jī)器人通信，機(jī)器人系統(tǒng)需要購(gòu)有841-1 EtherNet/IP Scanner/Adapter服務(wù)選項(xiàng)，ABB機(jī)器人作為主站通信，選擇LAN3作為網(wǎng)絡(luò)通信口，需要將現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制器的設(shè)備EDS文件拷貝到機(jī)器人系統(tǒng)Home文件夾下的EDS文件夾里，然后添加網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的IP地址、輸入輸出的字節(jié)數(shù)等，建立Signal通道。Ethernet IP總線數(shù)據(jù)配置見(jiàn)圖8。

圖8 Ethernet IP總線數(shù)據(jù)配置

通過(guò)Robotstudio軟件，配置對(duì)應(yīng)的變量，系統(tǒng)配置了機(jī)器人命令(i_robotcmd)、機(jī)器人編號(hào)(i_robotcn)、機(jī)器人啟動(dòng)(i_robotstart)等Group Input類(lèi)輸入變量，設(shè)置機(jī)器人報(bào)警狀態(tài)(o_robotalmstus)、機(jī)器人收到命令反饋(o_robotcmdrv)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)(o_robotrunstus)等Group Output類(lèi)輸出變量，用于現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制器與ABB機(jī)器人的協(xié)議交互。

2.3.2 機(jī)器人系統(tǒng)的程序命令調(diào)度

現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制器通過(guò)總線調(diào)度機(jī)器人執(zhí)行預(yù)定的子程序，子程序的執(zhí)行需要控制PLC和機(jī)器人之間互認(rèn)來(lái)確認(rèn)執(zhí)行和安全性，命令調(diào)度流程如圖9所示，將機(jī)器人的示教流程分成多個(gè)子程序，通過(guò)i_robotcmd命令號(hào)來(lái)調(diào)度，可以有效地提高機(jī)器人的控制柔性，便于工藝流程的組合應(yīng)用。

圖9 機(jī)器人系統(tǒng)的命令調(diào)度流程

3 生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計(jì)與調(diào)試

自動(dòng)線控制軟件(如圖10所示)負(fù)責(zé)整條生產(chǎn)線的機(jī)床、機(jī)器人和輸送線的控制邏輯，包含機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)床數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、程序文件管理、機(jī)器人程序管理、輸入輸出信號(hào)調(diào)試、報(bào)警信息記錄等。當(dāng)產(chǎn)線中一臺(tái)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)人工屏蔽的方式控制自動(dòng)線停止調(diào)用其中一臺(tái)機(jī)床，以保證生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)整條產(chǎn)線處于不停機(jī)的狀態(tài)。高鐵棘輪柔性生產(chǎn)線如圖11所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的棘輪自動(dòng)生產(chǎn)線，經(jīng)過(guò)3年的實(shí)際使用，在幾個(gè)方面收到了良好效果：

(1)整體生產(chǎn)效率得到顯著提升。在自動(dòng)線加工中心孔工藝環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人工加工時(shí)需要人工機(jī)床上下料、人工翻面、人工全檢，平均生產(chǎn)時(shí)間大約10 min/個(gè)；通過(guò)自動(dòng)線整體優(yōu)化布局和機(jī)器人總線調(diào)度控制，自動(dòng)線生產(chǎn)時(shí)間減少了1倍以上。

(2)成品率得到提升。人工加工時(shí)不可避免地出現(xiàn)漏檢、錯(cuò)檢等錯(cuò)誤，基于Renishaw和FOCAS軟件庫(kù)的棘輪在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)棘輪關(guān)鍵尺寸的全檢，數(shù)據(jù)可靠，一致性高。

(3)自動(dòng)化和信息化水平顯著提高。通過(guò)棘輪生產(chǎn)線控制軟件的調(diào)度，自動(dòng)線的實(shí)施只需要人工往輸送線上搬運(yùn)胚料，下料輸送線人工下料碼垛，中間生產(chǎn)過(guò)程全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大減少了生產(chǎn)難度。生產(chǎn)過(guò)程中的刀具磨損信息、全檢尺寸數(shù)據(jù)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，加工程序的管理等軟件控制方法，極大提高了棘輪生產(chǎn)的信息化水平。