CN110695377A - 一种数控车床自动上下料系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数控车床技术领域，尤其涉及一种数控车床自动上下料系统及其控制方法，包括HMI人机界面、工业控制器PLC、电子手轮、伺服驱动装置、电磁阀组、X轴、Y轴、Z轴、气动执行元件和数控车床；HMI人机界面和电子手轮均与工业控制器PLC连接，工业控制器PLC均分别与伺服驱动装置、电磁阀组和数控车床连接，伺服驱动装置分别与X轴、Y轴和Z轴连接。本发明用户通过人机界面和电子手轮输入相关参数和指令，传递给工业控制器PLC，PLC对各种输入信号进行分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件下达执行命令，完成X，Y，Z三轴之间的联合动作，并配合气动抓取料系统，实现工件工位和运动轨迹的自动调整和重复运行。
Description
技术领域
本发明涉及数控车床技术领域，尤其涉及一种数控车床自动上下料系统及其控制方法。
背景技术
目前，机床自动生产线和自动化程度高的加工设备已经成为今后制造工厂的一个发展趋势。单机自动化、整线自动化等自动上下料装置用于加工工件的自动上料和下料、工件翻转、工件转序等工作，能够满足快速、大批量加工节拍，节省人力成本，提高生产效率等要求，已经成为越来越多的工厂的理想选择。
在现有技术中，“生产线组合机床自动上下料机械手”(《机械制造》43卷第491期，文章编号：1000-4998(2005)07-0032-03)公开了使用PLC(Programmable LogicController可编程逻辑控制器)控制协调机械手和数控机床动作，完成自动上下料操作。“一种自动化冲压生产线上下料系统的开发设计”(《制造业自动化》，中图分类号：TP273，文章编号：1009-0134(2010)05-0127-02)公开了使用PLC控制多台机械手、机床、上料装置、下料装置、翻转台等外围设备进行协同作业，完成从上料、多工序加工、下料等整个生产线设计。
但是，上述系统由于多机床、多机械手协同作业的机床上下料系统单纯的使用PLC进行整个生产线调度存在逻辑复杂、可扩展性差等问题，很难实现可视化控制逻辑编辑。因此，本领域技术人员开发一种数控车床自动上下料系统及其控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种数控车床自动上下料系统及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种数控车床自动上下料系统，包括HMI人机界面、工业控制器PLC、电子手轮、伺服驱动装置、电磁阀组、X轴、Y轴、Z轴、气动执行元件和数控车床；所述HMI人机界面和电子手轮均与工业控制器PLC连接，所述工业控制器PLC均分别与伺服驱动装置、电磁阀组和数控车床连接，所述伺服驱动装置分别与X轴、Y轴和Z轴连接，所述电磁阀组与气动执行元件连接。
优选地，所述气动执行元件包括上料爪、卸料爪、旋转气缸和推料气缸。
本发明还提供了一种数控车床自动上下料系统的控制方法，包括原点模式、手动模式和自动运行模式。
优选地，所述原点模式：机械手XYZ三轴原点校准模式，回到原点标记的位置；在开机后，系统自动进入到原点模式，按下“启动”按钮后，执行原点回归动作，具体包括以下步骤：
步骤1，Y轴通过原点回归指令回到Y轴原点位置；
步骤2，Z轴和X轴同时执行原点回归指令，分别回到Z轴和X轴的原点位置；
步骤3，所有气动执行元件复位。
优选地，所述自动运行模式，机械手初始位置处于料盘正上方，且所有气缸处于复位状态，具体包括以下步骤：
步骤1，系统计算Z轴和X轴的运行位置；
步骤2，Y轴运行到取放料高位；
步骤3，Z轴移动到第一列的位置处，同时X轴移动到第一行的位置处；
步骤4，Y轴运行到料盘取料位；
步骤5，上料爪夹紧毛坯料；
步骤6，推料气缸推料；
步骤7，Y轴上升到加工等待位(Y向)；
步骤8，Z轴移动到加工等待位(Z向)；
步骤9，等待前一个工件加工完毕，打开机床天窗；
步骤10，Y轴下降到卡盘卸料位(Y向)；
步骤11，气管对准工件喷气，吹掉工件上的铁屑等杂物；
步骤12，Z轴移动到卡盘卸料位(Z向)；
步骤13，车床卡盘夹头松开，释放已加工好的工件；
步骤14，机械手卸料爪夹紧已加工好的工件；
步骤15，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤16，气管对准卡盘夹头喷气，吹掉夹头上的铁屑等杂物；
步骤17，旋转气缸旋转180°，使上料爪对准卡盘夹头；
步骤18，Y轴移动到卡盘上料位(Y向)；
步骤19，Z轴移动到卡盘上料位(Z向)；
步骤20，推料气缸推料，并且上料爪松开，将毛坯料推入夹头；
步骤21，车床卡盘夹头夹紧毛坯料；
步骤22，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤23，Y轴移动到加工等待位(Y向)；
步骤24，关闭车床天窗，并启动数控车床开始加工；
步骤25，Z轴移动到料盘第一列的位置处；
步骤26，Y轴移动到料盘下料位；
步骤27，卸料抓松开，将已加工好的工件放回到料盘第一行第一列的位置；
步骤28，Y轴移动到取放料高位；
步骤29，旋转气缸旋转180°，使上料爪朝下，对准料盘。
至此一整个循环结束，开始进入下一个工件的上下料动作。
优选地，所述步骤(1)中，对Z轴和X轴运行位置做了判定保护，若系统计算出来的值不在料盘范围之内，则系统报警，报警信息为：位置参数计算出错，并停止执行下一步动作。
优选地，所述步骤(6)中，对抓空料做了判定保护，若当前位置无毛坯料，则当推料气缸伸出推杆时触发推料气缸上的磁性开关，系统报警，报警信息为：料盘抓空料，并停止执行下一步动作。
优选地，所述步骤(13)中，对下料做了判定保护，若监测到卡盘夹头未松开，则系统报警；卸料时卡盘夹头无法松开，并停止执行下一步动作。
优选地，所述步骤(20)中，对上料进行判定保护，若无法监测到推料气缸上磁性开关触发的信号，则表明毛坯料未推入到夹头，则系统报警；料未推入卡盘夹头，并停止执行下一步动作。
优选地，所述步骤(21)中，对上料进行判定保护，若监测到卡盘夹头未夹紧，则系统报警；上料时卡盘夹头无法夹紧，并停止执行下一步动作。
本发明具有以下有益效果：本发明所述的一种数控车床自动上下料系统及其控制方法，用户通过人机界面和电子手轮输入相关参数和指令，传递给工业控制器PLC，PLC对各种输入信号进行分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件下达执行命令，完成X，Y，Z三轴之间的联合动作，并配合气动抓取料系统，实现工件工位和运动轨迹的自动调整和重复运行。
附图说明
图1为本发明的整体方框示意图。
图2为本发明中自动运行模式的工作流程图。
图3为本发明的料盘分布示意图。
图中：100 HMI人机界面、110工业控制器、120电子手轮、130伺服驱动装置、140电磁阀组、150 X轴、160 Y轴、170 Z轴、180数控车床、190上料爪、200卸料爪、210旋转气缸、220推料气缸。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图3，一种数控车床自动上下料系统，包括HMI人机界面100、工业控制器PLC110、电子手轮120、伺服驱动装置130、电磁阀组140、X轴150、Y轴160、Z轴170、气动执行元件和数控车床180；所述HMI人机界面100和电子手轮120均与工业控制器PLC110连接，所述工业控制器PLC110均分别与伺服驱动装置130、电磁阀组140和数控车床180连接，所述伺服驱动装置130分别与X轴150、Y轴160和Z轴170连接，所述电磁阀组140与气动执行元件连接。
其中，所述气动执行元件包括上料爪190、卸料爪200、旋转气缸210和推料气缸220。
本实施例中，用户通过HMI人机界面100和电子手轮120输入相关参数和指令，传递给工业控制器PLC110，工业控制器PLC110对各种输入信号进行分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件下达执行命令，完成X，Y，Z三轴之间的联合动作，并配合气动抓取料系统，实现工件工位和运动轨迹的自动调整和重复运行。
一种数控车床自动上下料系统的控制方法，包括原点模式、手动模式和自动运行模式。
其中，原点模式：机械手XYZ三轴原点校准模式，回到原点标记的位置；在开机后，系统自动进入到原点模式，按下“启动”按钮后，执行原点回归动作，具体包括以下步骤：
步骤1，Y轴通过原点回归指令回到Y轴原点位置；
步骤2，Z轴和X轴同时执行原点回归指令，分别回到Z轴和X轴的原点位置；
步骤3，所有气动元件复位。
在本实施例中，原点回归完成后，才能进入进行点位的设置和进入自动模式；Y轴和Z，X轴分步做原点回归避免了Y轴和机床发生碰撞；原点回归过程种的运行速度可由用户自行设置。
其中，手动模式：机械手XYZ和所有气动执行元件三轴受控于用户的点动操作。在手动模式下，机械手可以通过HMI人机界面中的上下左右前后这六个方向键，运行到所限范围内的任何位置，并且可通过电子手轮对任意一轴的位置进行微调；通过气动控制按键可对所有气动执行元件进行控制，方便用户设定点位和调试。
其中，自动运行模式：又分为自动和单步两种模式。
自动：整套上下料动作循环多次。(通过设置料盘参数来设置循环次数)
单步：每执行一个工步后停止，按下“启动”按钮后，接着执行下一个工步。
具体的，所述自动运行模式，机械手初始位置处于料盘正上方，且所有气缸处于复位状态，具体包括以下步骤：
步骤1，系统计算Z轴和X轴的运行位置；
步骤2，Y轴运行到取放料高位；
步骤3，Z轴移动到第一列的位置处，同时X轴移动到第一行的位置处；
步骤4，Y轴运行到料盘取料位；
步骤5，上料爪夹紧毛坯料；
步骤6，推料气缸推料；
步骤7，Y轴上升到加工等待位(Y向)；
步骤8，Z轴移动到加工等待位(Z向)；
步骤9，等待前一个工件加工完毕，打开机床天窗；
步骤10，Y轴下降到卡盘卸料位(Y向)；
步骤11，气管对准工件喷气，吹掉工件上的铁屑等杂物；
步骤12，Z轴移动到卡盘卸料位(Z向)；
步骤13，车床卡盘夹头松开，释放已加工好的工件；
步骤14，机械手卸料爪夹紧已加工好的工件；
步骤15，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤16，气管对准卡盘夹头喷气，吹掉夹头上的铁屑等杂物；
步骤17，旋转气缸旋转180°，使上料爪对准卡盘夹头；
步骤18，Y轴移动到卡盘上料位(Y向)；
步骤19，Z轴移动到卡盘上料位(Z向)；
步骤20，推料气缸推料，并且上料爪松开，将毛坯料推入夹头；
步骤21，车床卡盘夹头夹紧毛坯料；
步骤22，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤23，Y轴移动到加工等待位(Y向)；
步骤24，关闭车床天窗，并启动数控车床开始加工；
步骤25，Z轴移动到料盘第一列的位置处；
步骤26，Y轴移动到料盘下料位；
步骤27，卸料抓松开，将已加工好的工件放回到料盘第一行第一列的位置；
步骤28，Y轴移动到取放料高位；
步骤29，旋转气缸旋转180°，使上料爪朝下，对准料盘。
至此一整个循环结束，开始进入下一个工件的上下料动作。
本实施例中，其中，在启动自动运行时，若监测到Y轴处于料盘正上方之外的区域，则系统报警：Y轴不在料盘区域，并停止执行下一步，避免了在启动时Y轴与机床发生碰撞危险。
其中，在启动自动运行时，若监测到气缸未复位，则系统报警：气缸未复位，并停止执行下一步。
其中，在自动运行过程中，若监测到气压过低，则系统报警：气压过低，并停止执行下一步动作，避免因气压不稳造成工件夹持不牢固造成的危险。
其中，在步骤(1)中，对Z轴和X轴运行位置做了判定保护，若计算出来的值不在料盘范围之内，则系统报警，报警信息为：位置参数计算出错，并停止执行下一步动作。避免因料盘参数设置不当导致计算得到的运行位置超出料盘范围而引发的危险。
其中，在步骤(6)中，对抓空料做了判定保护，若当前位置无毛坯料，则当推料气缸伸出推杆时触发推料气缸上的磁性开关，系统报警，报警信息为：料盘抓空料，并停止执行下一步动作，避免抓空料后送空料造成车床夹头空夹的危险。
其中，在步骤(13)中，对下料做了判定保护，若监测到卡盘夹头未松开，则系统报警：卸料时卡盘夹头无法松开，并停止执行下一步动作，避免机床故障引发的危险。
其中，在步骤(20)中，对上料进行判定保护，若无法监测到推料气缸上磁性开关触发的信号，则表明毛坯料未推入到夹头，则系统报警：料未推入卡盘夹头，并停止执行下一步动作，避免因料未送到位造成机床空夹的危险。
其中，在步骤(21)中，对上料进行判定保护，若监测到卡盘夹头未夹紧，则系统报警；上料时卡盘夹头无法夹紧，并停止执行下一步动作。
其中，若整个上下料的过程超过预设的时间，则系统报警：运行超市，并停止执行下一步动作。
其中，喷气方式的方式由二种可供选择：
定点喷气(喷气时间可设)；可选择在卸料前和上料前在固定位置进行喷气。
上下浮动喷气(浮动距离和速度可设)，并且可选择是否在卸料前喷气和上料前喷气，这种喷气方式更适合于铁屑较多的场景。另外，卸料前喷气主要喷掉工件上的铁屑，上料前喷气主要喷掉夹头里面的铁屑。
其中，在步骤25、步骤26、步骤27中，由另外一种下料的方式供用户选择，即固定位置卸料：
固定位置卸料：已加工好的工件放置于固定的容器，而不放置于料盘。这种方式可以最大限度的节约动作时间，适用于加工时间短且产品对外观要求不高的场景(产品从一定高度落下来，对表面有一定伤痕)。
其中，步骤11、步骤12、步骤13、步骤14中，在车床夹头无料时省去，系统通过判定机床夹头信号，来判定夹头上是否有料。若无料则跳过卸料步骤，直接上料。若有料，则先进行卸料，再进行上料。避免了人工去判定夹头是否有料，提高系统安全性和易操作性。
其中，Z轴和Y轴在不同区域处的速度分开设置，在机床区域，Z轴的运行速度必须放慢，以免发生碰撞危险；在处机床区域以外的区域，Z轴的运行速度必须加快，以缩短整个运行周期；而对于Y轴：在机床区域，必须加快，以节省换料的时间；而在其他区域Y轴速度可适当减慢。
其中，料盘设置，通过料盘大小，来框定工位的数量和排列，通过起始位置和结束位置，来标定当前加工的起止工位，提高易操作性。
其中，自动运行会从料盘起始位置开始抓取第一个工件，一个循环结束后，依次向右移动一个料位；一横排结束后，料盘向前移动一格，机械手回到料盘最左料位，从左到右开始依次抓料；直到抓取完料盘结束位置上的工件，机械手停止运行。
其中，扭矩保护，当XYZ三轴任意一轴的扭矩超过正常值时，立即停止运行，以免造成机械损伤。
其中，上述自动运行模式中，当X轴碰到后限位光电开关、Y轴碰到上限位光电开关、Z轴碰到右限位光电开关，以及X轴超过软件设定的X向极限位置、Y轴超过软件设定的Y向极限位置、Z轴超过软件设定的Z向极限位置时，系统则进入手动模式，移出限位。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数控车床自动上下料系统，其特征在于，包括HMI人机界面(100)、工业控制器PLC(110)、电子手轮(120)、伺服驱动装置(130)、电磁阀组(140)、X轴(150)、Y轴(160)、Z轴(170)、气动执行元件和数控车床(180)；所述HMI人机界面(100)和电子手轮(120)均与工业控制器PLC(110)连接，所述工业控制器PLC(110)均分别与伺服驱动装置(130)、电磁阀组(140)和数控车床(180)连接，所述伺服驱动装置(130)分别与X轴(150)、Y轴(160)和Z轴(170)连接，所述电磁阀组(140)与气动执行元件连接。
2.根据权利要求1所述的一种数控车床自动上下料系统，其特征在于，所述气动执行元件包括上料爪(190)、卸料爪(200)、旋转气缸(210)和推料气缸(220)。
3.根据权利要求1所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，包括原点模式、手动模式和自动运行模式。
4.根据权利要求3所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述原点模式：机械手XYZ三轴原点校准模式，回到原点标记的位置；在开机后，系统自动进入到原点模式，按下“启动”按钮后，执行原点回归动作，具体包括以下步骤：
步骤1，Y轴通过原点回归指令回到Y轴原点位置；
步骤2，Z轴和X轴同时执行原点回归指令，分别回到Z轴和X轴的原点位置；
步骤3，所有气动执行元件复位。
5.根据权利要求3所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述自动运行模式，机械手初始位置处于料盘正上方，且所有气缸处于复位状态，具体包括以下步骤：
步骤1，系统计算Z轴和X轴的运行位置；
步骤2，Y轴运行到取放料高位；
步骤3，Z轴移动到第一列的位置处，同时X轴移动到第一行的位置处；
步骤4，Y轴运行到料盘取料位；
步骤5，上料爪夹紧毛坯料；
步骤6，推料气缸推料；
步骤7，Y轴上升到加工等待位(Y向)；
步骤8，Z轴移动到加工等待位(Z向)；
步骤9，等待前一个工件加工完毕，打开机床天窗；
步骤10，Y轴下降到卡盘卸料位(Y向)；
步骤11，气管对准工件喷气，吹掉工件上的铁屑等杂物；
步骤12，Z轴移动到卡盘卸料位(Z向)；
步骤13，车床卡盘夹头松开，释放已加工好的工件；
步骤14，机械手卸料爪夹紧已加工好的工件；
步骤15，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤16，气管对准卡盘夹头喷气，吹掉夹头上的铁屑等杂物；
步骤17，旋转气缸旋转180°，使上料爪对准卡盘夹头；
步骤18，Y轴移动到卡盘上料位(Y向)；
步骤19，Z轴移动到卡盘上料位(Z向)；
步骤20，推料气缸推料，并且上料爪松开，将毛坯料推入夹头；
步骤21，车床卡盘夹头夹紧毛坯料；
步骤22，Z轴移动到卡盘旋转位(Z向)；
步骤23，Y轴移动到加工等待位(Y向)；
步骤24，关闭车床天窗，并启动数控车床开始加工；
步骤25，Z轴移动到料盘第一列的位置处；
步骤26，Y轴移动到料盘下料位；
步骤27，卸料抓松开，将已加工好的工件放回到料盘第一行第一列的位置；
步骤28，Y轴移动到取放料高位；
步骤29，旋转气缸旋转180°，使上料爪朝下，对准料盘；
至此一整个循环结束，开始进入下一个工件的上下料动作。
6.根据权利要求5所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对Z轴和X轴运行位置做了判定保护，若系统计算出来的值不在料盘范围之内，则系统报警，报警信息为：位置参数计算出错，并停止执行下一步动作。
7.根据权利要求5所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中，对抓空料做了判定保护，若当前位置无毛坯料，则当推料气缸伸出推杆时触发推料气缸上的磁性开关，系统报警，报警信息为：料盘抓空料，并停止执行下一步动作。
8.根据权利要求5所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(13)中，对下料做了判定保护，若监测到卡盘夹头未松开，则系统报警；卸料时卡盘夹头无法松开，并停止执行下一步动作。
9.根据权利要求5所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(20)中，对上料进行判定保护，若无法监测到推料气缸上磁性开关触发的信号，则表明毛坯料未推料到夹头，则系统报警；料未推入卡盘夹头，并停止执行下一步动作。
10.根据权利要求5所述的一种数控车床自动上下料系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(21)中，对上料进行判定保护，若监测到卡盘夹头未夹紧，则系统报警；上料时卡盘夹头无法夹紧，并停止执行下一步动作。
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