一種數(shù)控機(jī)床自動上下料桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉林山，李建永，郝 銘

LIU Lin-shan1 ,LI Jian-yong2 ,HAO Ming1

（1.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132021；2.北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132021）

0 引言

“中國制造2025”、“一帶一路”國家戰(zhàn)略背景下，加工制造業(yè)中小企業(yè)智能化程度要有很大提升，迫切需要將人力解放出來和推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。小型數(shù)控機(jī)床種類繁多，主要承擔(dān)直徑400mm，長度500mm，10kg以下的桿軸類、盤類物料加工任務(wù)。為減輕工人操作強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)上下料自動化，國內(nèi)研究人員已經(jīng)開展數(shù)控機(jī)床自動上下料裝置的研究工作：文獻(xiàn)[1]提出專用于深孔鏜床的上下料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動化，但缺乏與數(shù)控機(jī)床之間的通信；文獻(xiàn)[2]提出GSF機(jī)器人與數(shù)控車床組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)上下料自動化，但占地面積較大；文獻(xiàn)[3]提出經(jīng)濟(jì)型車床自動上下料氣動機(jī)械裝置，但缺乏與數(shù)控車床的通信手段。小型數(shù)控機(jī)床上下料自動化要求小體積、低成本、網(wǎng)絡(luò)化、高可靠和高效率。桁架機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、加工精度高，適用于加工工件的搬運(yùn)、裝卸，對提高小型數(shù)控機(jī)床加工效率具有重要意義。

基于小型數(shù)控機(jī)床加工工藝，考慮上下料自動化要求，采用二軸桁架機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動上下料和機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的通信。二軸桁架機(jī)器人包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制部分：為便于行走，桁架機(jī)器人本體由矩形截面的鋼管安裝在一起，主要運(yùn)動軸采用橫梁、立柱二軸結(jié)構(gòu)，即水平的X軸與豎直的Z軸，上面安裝滾動直線導(dǎo)軌。電氣控制部分包括規(guī)劃桁架機(jī)器人運(yùn)動軌跡、機(jī)器人末端執(zhí)行器、與數(shù)控機(jī)床的通信方式。

1 上下料工藝過程及控制要求

數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)包括物料臺（可轉(zhuǎn)動）、桁架機(jī)器人（位于加工臺上方、安全門內(nèi)）、桁架機(jī)器人控制柜、桁架機(jī)器人手爪等。上下料工藝過程：按下數(shù)控機(jī)床啟動按鈕，系統(tǒng)確認(rèn)各個運(yùn)行狀態(tài)都準(zhǔn)備好，工人將待加工物料放入圓形物料臺，安全門關(guān)閉后開始工作，液壓卡盤松開到位，桁架機(jī)器人在原點(diǎn)運(yùn)行到物料臺固定位置，桁架機(jī)器人手爪動作抓取物料，桁架機(jī)器人運(yùn)送物料到指定位置，液壓卡盤夾緊物料，桁架機(jī)器人移動到原點(diǎn)位置（安全），機(jī)床啟動按加工程序加工，加工完成后，液壓卡盤松開到位，桁架機(jī)器人由原點(diǎn)運(yùn)行到指定位置，桁架機(jī)器人手爪抓取加工完的物料運(yùn)動到物料臺指定位置，松開物料后完成下料，接著夾取下一個物料，重復(fù)上述過程。若物料臺所有物料加工完畢，數(shù)控機(jī)床通知工人更換物料臺的物料。

桁架機(jī)器人與數(shù)控車床電氣控制和氣動控制需要考慮：

1）桁架機(jī)器人本體X軸和Z軸滾動導(dǎo)軌伺服控制；

2）規(guī)劃桁架機(jī)器人運(yùn)動軌跡；

3）桁架機(jī)器人手爪動作設(shè)計；

4）桁架機(jī)器人與數(shù)控車床通信方式。

2 上下料桁架機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成及工作原理

考慮到客戶需求、資金成本、實(shí)際生產(chǎn)等各方面因素，選擇CK0620A實(shí)用小型精密排刀式數(shù)控車床（適合于電子接插件、儀表、小五金等各種精密零件的大批量和單件加工）為對象?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括：主控制器控制柜、桁架機(jī)器人、物料臺和觸摸屏。

控制系統(tǒng)工作原理：

1）啟動數(shù)控機(jī)床和桁架機(jī)器人，數(shù)控機(jī)床判斷加工是否完成，若完成則機(jī)床門打開，判斷機(jī)床門打開是否到位，若到位工人將物料臺裝好待加工物料，否則等待；

2）數(shù)控車床判斷機(jī)床門是否關(guān)閉到位，若到位則桁架機(jī)器人取料，放料；

3）桁架機(jī)器人取料控制過程：判斷液壓手爪打開是否到位，若到位則桁架機(jī)器人從安全點(diǎn)沿規(guī)劃軌跡運(yùn)動到取料位置，調(diào)整手爪抓取物料，沿規(guī)劃路徑到達(dá)液壓卡盤放料位置，機(jī)器人手爪松開放料，液壓卡盤夾緊物料。機(jī)器人沿規(guī)劃路徑回到原始安全點(diǎn)，完成一次上料、取料過程；

4）桁架機(jī)器人發(fā)出放料完成信號給數(shù)控車床，數(shù)控車床檢測正常后按編制程序加工。

2.2 主控制器選擇

按照上述工作過程，主控制器需要完成桁架機(jī)器人本體X軸和Z軸的運(yùn)動控制，氣缸電磁閥控制、與數(shù)控車床的通信控制、顯示、報警功能、運(yùn)動限位控制等功能。主控制器采用西門子S7-300的CPU和威綸通觸摸屏。整個系統(tǒng)S7-300是控制核心，實(shí)現(xiàn)主要控制功能。

2.3 伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)

桁架機(jī)器人伺服驅(qū)動電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)。自動上下料要求桁架機(jī)器人快速運(yùn)行到物料擺放位置，將物體擺放整齊。電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動8%，3S內(nèi)桁架機(jī)器人運(yùn)行到額定速度，作業(yè)率＞99%?？紤]到過載能力、運(yùn)行效率等因素，驅(qū)動電機(jī)選擇永磁同步電動機(jī)。

桁架機(jī)器人交流伺服系統(tǒng)主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路：為簡化硬件，整流電路采用三相不可控制整流集成模塊；濾波電路選擇耐壓值為450V，1mF的電容；逆變電路選擇50A，1200V的IGBT模塊為開關(guān)器件；緩沖吸收電路采用并聯(lián)RCD結(jié)構(gòu)緩沖電路。

桁架機(jī)器人交流伺服系統(tǒng)控制電路包括主控電路、電壓采集電路、電流采集電路、功率器件驅(qū)動電路等。由于還要控制超聲電機(jī)，主控芯片采用TMS320F28系列DSP，3.3V電源由電壓采集電路轉(zhuǎn)換獲得，采用30MHz的晶振，兩個引腳分別經(jīng)過pF級電容和地相連，通過內(nèi)部的振蕩器和鎖相環(huán)電路提供時鐘信號。功率器件驅(qū)動電路采用直接模式工作模式的專用驅(qū)動模塊2SD315AI為IGBT門極提供驅(qū)動信號[4]。

2.4 柔性手爪

桁架機(jī)器人末端機(jī)械手動作包括定位、半旋轉(zhuǎn)（抬起）、抓取。定位和半旋轉(zhuǎn)（抬起）采用壓縮空氣控制；由于抓取的物料較小，采用超聲電機(jī)設(shè)計兩指手爪實(shí)現(xiàn)上下料柔性化。超聲電機(jī)控制由DSP芯片來完成[5]。

2.5 PLC電氣控制系統(tǒng)

PLC是整個上下料控制的核心，需要完成桁架機(jī)器人行走，抓取，顯示和與數(shù)控車床通信控制。圖1為主控PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 主控PLC控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)控制系統(tǒng)要求確定PLC的輸入/輸出信號個數(shù)，表1為主控PLC控制系統(tǒng)I/O端子分配表（部分）。

表1 主控PLC控制系統(tǒng)I/O端子分配表（部分）

（表1）續(xù)

2.6 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件采用西門子STEP7開發(fā)，軟件程序包括PLC控制程序、桁架機(jī)器人主程序，上料子程序、下料子程序、與數(shù)控車床主控PLC通信程序。觸摸屏界面設(shè)計采用威綸通公司HMI組態(tài)軟件EasyBuilder8000實(shí)現(xiàn)，通過界面可以選擇加工零件種類，設(shè)置加工數(shù)量、實(shí)時顯示已加工情況、上位機(jī)下達(dá)的的加工任務(wù)以及報警顯示[6,7]。

圖2給出自動上下料控制流程圖，初始化包括桁架機(jī)器人原點(diǎn)位置、手爪位置和軌跡，其中上下料運(yùn)動軌跡：路徑1→P001零點(diǎn)→P002待加工物料上方（物料臺）?P003代加工物料（物料臺）→P004抓取→P001零點(diǎn)；路徑2→P001零點(diǎn)→P005液壓卡盤上方?P006液壓卡盤→P007松開→P001零點(diǎn)；路徑3→P001零點(diǎn)→P005液壓卡盤上方?P006液壓卡盤→P008手爪夾緊→P001零點(diǎn)。路徑1→P001零點(diǎn)→P002待加工物料上方（物料臺）?P009加工完物料（物料臺）→P010松開→P001零點(diǎn)。

圖2 自動上下料控制流程圖

圖3給出上料子程序流程圖：

圖3 上料子程序

下料子程序與上料子程序類似，根據(jù)主控流程圖可以編制相應(yīng)的桁架機(jī)器人上下料控制程序如下：

桁架機(jī)器人與數(shù)控車床通信方式采用快速I/O的通信模式，軟件部分根據(jù)采集機(jī)床與桁架機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)，在控制主程序中根據(jù)上下料邏輯編寫。

3 結(jié)語

自動上下料桁架機(jī)器人具有高速和定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，小型數(shù)控機(jī)床配備二軸桁架機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)物料上料和下料?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單臺機(jī)床上下料自動化，為中小企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備智能化改造提供思路。在數(shù)控機(jī)床上組合二軸桁架機(jī)器人，可以大大提高生產(chǎn)效率。另外，控制系統(tǒng)成本低、易操作，也可為“一帶一路”沿線國家制造企業(yè)生產(chǎn)智能化改造提供方案。數(shù)控機(jī)床配備自動上下料二軸桁架機(jī)器人則更能凸顯自動化加工優(yōu)勢，同時，總線接口易于構(gòu)建基于數(shù)控機(jī)床群[8]的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)床高效加工。因此，基于PLC控制系統(tǒng)的自動上下料二軸桁架機(jī)器人具有較好的推廣前景。