浅谈机床的数控化改造方法

浅谈机床的数控化改造方法

周文杰1许叶萍2

1浙江凯达机床股份有限公司，浙江诸暨，311800  2浙江凯达机床股份有限公司，浙江诸暨，311800

摘要：基于MCGS组态软件开发了总控平台，将视觉检测CCD技术用于加工零件尺寸及表面粗糙度的质量检测，将PLC控制器用于产品分拣。通过设备的联调表明:以PLC为主线，设计了数控机床与机器人、触摸屏、视觉系统等外围设备的集成改造方案，实现了产品从上料、加工、下料、视觉检测和分拣的自动控制过程。

关键词：数控机床；人机交互；工业机器人

引言

在经济社会高速发展的时代，我国正在从“中国制造”向“中国智造”迈进。我国作为一个传统的机械制造大国，但装备水平相对落后，自动化程度相对偏低，特别是一些老旧机械制造厂大多还是原有的数控设备，远远不能满足当前零件加工的要求，尤其是在自动化程度方面。随着近年来人力资源成本不断提高，对于一些重复性程度较高且工作环境不适合工人长时间作业的场合，如果能够实现装料和卸料等工作的自动化，将会极大地提高劳动生产率，为企业节省人力、物力和财力。因此，拟以数控机床自动加工实训台的开发为载体，以某零件的加工为目标，通过对数控设备的改造，研发数控机床自动加工技术，并通过总控平台实时监视和控制设备，解决了当前老旧的相关难题。

1.数控机床自动加工集成方案

此次改造设计方案的控制要求为:实现零件的自动加工及合格品、不合格品的自动分拣。系统整体设计如图1所示。

该设计重点为系统整体功能和各单元功能。因而该方案的自动加工集成设计分为6大模块:

（1）数控机床模块主要实现零件的加工环节。（2）工业机器人模块实现零件的自动上、下料等搬运工作。（3）视觉监测部分用于对加工后零件的外形进行检测，该设计主要针对零件的尺寸和表面粗糙度进行检测。（4）分拣模块完成对合格品和不合格品的自动分拣。（5）总控平台能够实时监视与控制设备运行情况和加工过程。（6）辅助模块包括料仓和控制柜等部件。

图1系统整体方案

2.数控机床自动加工设计与实现

2.1基于人机交互界面总控平台的设计

人机交互界面的设备总控平台基于MCGS组态软件平台而设计，用于实时监视与控制设备运行情况和加工过程，部分界面如图2所示。其主要功能设计以下:

（1）总控界面和用户管理界面，并设置不同用户的权限。

（2）加工过程控制界面，能够实现加工统计和刀具冗余判断等，如控制和显示每个批次加工的数量，或者是根据目标加工量自动判断所需要的刀号。

（3）产品监视界面，监控机器人和机床的状态，监视已加工产品的数量，根据视觉检测结果显示合格品和不合格的数量。

2.2PLC技术的应用

PLC技术在此次改造设计中的应用如下:

（1）实现防护门自动开关。（2）发送信号到机器人控制机器人执行相关动作。（3）机器人动作完成后，发送信号到对应的设备执行相应的操作，如控制数控机床执行加工任务。（4）控制视觉系统执行检测功能。（5）控制分拣机构执行分拣功能。

图2机器人上下料原理框图

2.3机器人改造设计

机器人根据输入信号的不同，完成上料和下料等动作，并适时发送到位信号到PLC，机器人上、下料原理图如图3所示。工步1为上料动作，工步2为下料动作。具体工作原理包括以下几部分:

（1）初始化。按下启动按钮，执行上电、回零点操作。

（2）上料。机器人输入端子(X0.1)接收到PLC发送的信号执行工步1的操作，到料仓抓取待加工零件到数控机床，上料完成后，机器人退回。

（3）加工。数控机床按照人机总控平台上零件的类型调取不同的加工程序进行加工；同时，根据人机界面上设置的目标加工量调取不同的刀具，进行刀具冗余判断，减少换刀次数；加工结束后，数控机床发送加工结束信号到PLC。

（4）下料。PLC接收到加工结束信号后，向机器人发送下料信号。具体动作为:机器人输入端子(X0.2)接收到PLC发送的信号执行工步2的动作，动作包括:到达C点抓取零件到达安全点B点，到达视觉检测定位点D点，延时返回安全点B点，到达分拣机构的进料口检测点E点，机器人返回零点。

图3机器人上、下料原理框图

2.4产品检测系统设计

检测技术在机械生产中的应用越来越广泛。在整个CCD机器视觉系统中，需要提前导入与零件相关的信息和模型，工业相机可以采集加工品的高清图像，图像由CPU数字化处理后，经过后端画图软件分析比对，进行合格品和不合格品的筛选，生成的定位数据由串口传给PLC，通过PLC进而实现数据的生成。同时，可以记录产品信息数据，以便后续快速且精准的查询、追溯和检索。该系统中可以根据不同的零件选择不同的检测项目，全方位检测已加工零件的尺寸及表面粗糙度，与导入模型进行比较，以此挑出不合格品。

视觉检测流程如下:

（1）机器人将物料送到视觉检测机上。（2）视觉检测设备进行数据采集和分析对比。（3）数据采集结束，机器人将产品放到传输带上。（4）根据检测结果进行物料不合格品的分拣。

2.5物料分拣系统设计

该设计中，分拣系统采用西门子S7－200型PLC作为控制器，分拣单元的传送带驱动采用通用变频器驱动三相交流异步电动机的传动装置。当入料口的光电传感器检测到已加工零件后，电机运转驱动传送带工作，工件送入分拣区进行分拣。如果进入分拣区的工件为不合格品，则1号槽推料气缸启动信号，将不合格品推到1号槽里；如果进入分拣区的工件为合格品，则零件进入传送带末端的合格品盒，并通过传感器末端的漫反射式传感器记录合格品的数量，显示在总控平台上。为了将不合格品准确推送到相应位置，需要对零件的位置准确定位。设计选用了具有A和B两相90°相位差的通用型转编码器，计算工件在传送带上的位置。A和B两相输出端直接连接到PLC的高速计数器输入端。在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整以尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。现场测试程序如图4所示。

图4脉冲当量现场测试主程序

2.6改造后设备测试内容

对改造后设备的性能测试内容应包括检查路线、开关位置、指示灯；测试输入和输出地址，保证其在正确状态；功能的模拟或调试，确定可以按照设计方案完成指定任务。设备改造后仿真模型如图5所示，整体结构如图6所示。

图5改造后设备仿真模型图           6改造后设备整体结构

3.数控机床自动加工的技术优势

（1）数控机床自动加工技术是通过对数控设备的改造实现的，可以对已有的数控设备重复利用，节省设备成本，而且能实现与市场上数控机床自动上、下料设备同样的功能。

（2）基于人机交互界面设计的设备总控平台，能够实时监视与控制设备运行情况和加工过程。

（3）由于机器人作业稳定可靠，能实现无疲劳作业，因而该实训台能够高精度定位，快速搬运夹取，提高制造精度，同时有效减少不合格品，提高产品质量。

（4）在一般的机器制造中，数控设备所担负的加工工作量占机器制造工作总量的45%～65%。此类设备及其改造技术对于中小型数控设备企业具有广阔的应用前景。

（5）该改造技术适用于所有数控设备，可以针对不同企业的不同设备进行改造，其适用性优于市场上部分自动制造设备。

（6）该改造技术综合了机械传动技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、PLC控制技术、气动驱动、变频器驱动、步进(伺服)电机位置控制、网络通信技术和视觉系统CCD成像技术等。可编程序控制器（PLC），担负着各模块及模块之间协调运行及微处理的任务，PLC之间通过西门子IOMODBUS通讯实现互连的分布式控制。

结语

随着工业化水平的持续提升，对产品品质和生产效率的要求持续提升，积极开展技术革新已成为数控机床自动化行业发展的关键方法。通过针对现有数控机床进行全新升级改造，以现有的宝鸡CK7520数控机床和广州数控ＲB08型工业机器人为载体，以某零件的自动加工及检测为目的，设计了数控机床自动加工的集成方案，并分析了其技术优势。该改造技术可运用于数控设备应用领域，能够提升生产率，节省50%以上的人力费用，并将操作人员从繁杂、简单和反复的体力工作中解放出来。

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