基于工業(yè)機器人的自動加工工作站研制

摘 要：生產(chǎn)自動化是當前制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的目標之一。針對機器加工流水線上的加工工位，基于工業(yè)機器人設計并研制自動加工工作站。經(jīng)實踐驗證，該工作站能實現(xiàn)生產(chǎn)過程中工件的自動裝夾以及自動加工，提升生產(chǎn)效率，節(jié)約人工勞力成本。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；自動裝夾；數(shù)控機床

隨著我國產(chǎn)業(yè)升級步伐的加快以及人工勞力成本的日益增長，生產(chǎn)自動化成為了現(xiàn)今制造業(yè)進行生產(chǎn)裝備升級、生產(chǎn)效率提升的有效途徑之一。工業(yè)機器人作為工業(yè)中主要的自動化裝備廣泛的應用于制造業(yè)生產(chǎn)過程中。針對流水線上加工工位的自動化需求，設計并研制了一套自動加工工作站系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用工業(yè)機器人將數(shù)控機床融入了自動生產(chǎn)線中，能實現(xiàn)加工現(xiàn)場自動化。

1 自動加工工作站的總體方案

所設計的自動加工工作站系統(tǒng)以機器人為核心，通過PLC時序邏輯控制器控制周邊裝置來配合完成一定的作業(yè)，上位機與機器人的通信是通過開關(guān)量完成。機器人的運動程序事先進行規(guī)劃，運動軌跡通過示教再現(xiàn)方式手工確定，通過分支、循環(huán)指令配合外部信號控制機器人動作時機和選擇路徑等。本自動加工工作站系統(tǒng)采用六軸工業(yè)機器人為生產(chǎn)線與數(shù)控機床實現(xiàn)工件搬運與裝夾。PLC通過邏輯判斷后控制數(shù)控車床實現(xiàn)圓軸類工件的自動加工。

2 主要設備的選型

2.1 PLC選型

PLC作為上位機，負責整套自動加工工作站系統(tǒng)的邏輯控制工作。要求其能提供足夠的IO點數(shù)用以收集以及輸出系統(tǒng)運行所需信號，并能與其它的工作站以及相關(guān)設備進行通訊。采用西門子故障安全型S7-300PLC，型號為315F-2DP/PN。該款PLC能夠提供足夠的IO點數(shù)用以收集生產(chǎn)線、工業(yè)機器人以及數(shù)控機床上的信號并經(jīng)過邏輯判斷后進行相應的輸出，從而協(xié)調(diào)工業(yè)機器人與數(shù)控機床的工作。同時，PLC315F-2DP/PN能夠通過工業(yè)以太網(wǎng)或者現(xiàn)場總線與其他的工作站進行通訊。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)選型

本工作站中的數(shù)控系統(tǒng)在能完成加工任務以及保證加工精度的前提下，應開放數(shù)控系統(tǒng)中邏輯控制部分給用戶進行二次開發(fā)設計。FANUC數(shù)控系統(tǒng)0I-TD的順序控制是由PMC（Programmable Machine Controller）來實現(xiàn)，PMC是內(nèi)置于數(shù)控系統(tǒng)中的可編程順序邏輯控制器。采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)0I-TD，可以通過配套軟件或者直接在系統(tǒng)面板上修改PMC程序。PMC以CNC內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等的開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按照預先規(guī)定的邏輯順序進行運動控制。諸如主軸的起停，換向，刀具的更換，工件的夾緊，松開，液壓，冷卻，潤滑系統(tǒng)的工作。PMC與外圍的開關(guān)量信號連接以及與PLC通訊在硬件上可通過數(shù)控機床上的IO-LINK模塊來實現(xiàn)。

2.3 工業(yè)機器人選型及夾具選擇

由于所需加工的軸類零件重量基本在0.5-2千克之間，對工業(yè)機器人的負載要求不高。川崎R系列的RS06L工業(yè)機器人能滿足該負載要求并具有較大的工作范圍，能夠合理的布置于生產(chǎn)線與數(shù)控機床之間完成搬運工作。川崎機器人由名為AS的軟件系統(tǒng)控制。在AS系統(tǒng)中，可以和機器人進行通訊或用AS語言開發(fā)程序。AS系統(tǒng)被編寫在機器人控制單元的永久存儲器里。AS系統(tǒng)按照給定的指令和程序控制機器人。在程序運行過程中，它也能執(zhí)行好幾種功能。可以在程序運行中使用的功能有：顯示系統(tǒng)狀態(tài)或機器人位姿（位置和姿態(tài)）、保存數(shù)據(jù)到外部存儲設備、編寫/編輯程序。

工業(yè)機器人第六軸處安裝氣動夾鉗式取料裝置，其指端形狀為V形指。V形適用于夾持圓柱形工件，其特點是夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小。為提高機器人裝夾效率，機器人上安裝雙取料裝置，雙取料裝置呈一百八十度布置于第六軸端頭兩側(cè)。

3 自動加工工作站系統(tǒng)設計

自動加工工作站系統(tǒng)的邏輯控制任務由PLC完成，通過PLC的IO模塊接收信號并發(fā)出控制指令。與之相連接的分別為工業(yè)機器人的輸入輸出IO、數(shù)控系統(tǒng)外圍IO模塊的IO-LINK以及各種與工作站運行相關(guān)的按鈕、開關(guān)和傳感器。其系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

PLC對數(shù)控機床的控制是通過修改數(shù)控系統(tǒng)中的PMC程序并設置公共變量來實現(xiàn)。本自動加工工作站系統(tǒng)所設計的功能控制以及狀態(tài)讀取信號有：機床準備好信號、報警信號、自動運行方式、自動運行、防護門的開與關(guān)、液壓卡盤的張開與夾緊。

工業(yè)機器人運行程序需事先示教編程，本自動加工工作站系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程，在主程序中調(diào)用相應的功能子程序，功能子程序設計有：初始化，生產(chǎn)線取件，機床放件，機床取件，機床取件后放件，生產(chǎn)線放件。子程序的是否調(diào)用由PLC收集相關(guān)信號后進行邏輯判斷，然后發(fā)出控制指令到工業(yè)機器人控制柜上的IO，通過與相應IO關(guān)聯(lián)的變量進行觸發(fā)子程序，同時工業(yè)機器人將運行過程的狀態(tài)通過IO反饋回PLC。

自動加工工作站的工作策略為：流水線上的接近開關(guān)監(jiān)測到工件經(jīng)由上工位流轉(zhuǎn)到達當前工位，PLC發(fā)出指令給定位氣缸固定工件，機器人取件返回原點，PLC接收到數(shù)控機床準備好信號后發(fā)出指令給機器人，機器人將工件送往液壓卡盤，由PLC協(xié)調(diào)數(shù)控機床與工業(yè)機器人的動作實現(xiàn)工件夾緊。機器人退出后，再由PLC發(fā)出指令給數(shù)控機床實現(xiàn)自動加工，在此過程中，機器人緊接著往流水線上取工件，回原點后等待機床加工完成后取件裝件，如此自動循環(huán)工作。

4 結(jié)束語

自動加工工作站采用工業(yè)機器人實現(xiàn)流水線與數(shù)控機床之間的自動搬運與裝夾，通過PLC調(diào)控各設備的生產(chǎn)運行節(jié)奏，實現(xiàn)了該工位的自動生產(chǎn)。該套系統(tǒng)采用IO方式連接各設備具有較高的可靠性，經(jīng)實踐運行證明，有效的提高了生產(chǎn)效率。

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