基于ABB工業(yè)機(jī)器人上下料的FUNUC數(shù)控加工中心改造關(guān)鍵技術(shù)

阮廣東,呂新明，何彥虎 (湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

數(shù)控機(jī)床作為機(jī)加工的一種核心設(shè)備，在機(jī)械零部件切削加工中發(fā)揮著重要的作用.長期以來，數(shù)控機(jī)床僅是作為獨(dú)立的裸機(jī)投入到生產(chǎn)中.隨著智能制造時(shí)代的到來以及工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，數(shù)控機(jī)床已不再是單一獨(dú)立的加工設(shè)備，而是作為智能制造系統(tǒng)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)，和其它輔助設(shè)備如工業(yè)機(jī)器人、PLC聯(lián)網(wǎng)通信共同完成零部件的生產(chǎn)加工，從而實(shí)現(xiàn)零部件加工的無人化.

工業(yè)機(jī)器人作為一種重要自動(dòng)化設(shè)備，是智能制造系統(tǒng)中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié).在機(jī)械制造領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人可用來完成沖壓、壓鑄、鍛造、機(jī)床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴涂、裝配等作業(yè)中的輔助動(dòng)作[1]，如上下料等按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，從而可代替人完成重復(fù)、繁瑣、危險(xiǎn)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度要求高的動(dòng)作.在數(shù)控加工領(lǐng)域，利用工業(yè)機(jī)器人取代人進(jìn)行上下料可實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下的高效率大批量生產(chǎn)、長時(shí)間作業(yè)，并能顯著降低制造成本[2-3].基于工業(yè)機(jī)器人的以上優(yōu)點(diǎn)，許多機(jī)加工密集的企業(yè)已完全或部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床協(xié)同作業(yè)，許多大中專院校也相繼建立了利用工業(yè)機(jī)器人對數(shù)控機(jī)床上下料的實(shí)訓(xùn)裝置.本文針對某工件，對某FUNUC數(shù)控加工中心進(jìn)行基于ABB工業(yè)機(jī)器人上下料功能的改造.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

利用ABB工業(yè)機(jī)器人對FUNUC數(shù)控加工中心進(jìn)行上下料的改造中，ABB機(jī)器人直接和控制第六軸末端平行氣動(dòng)手抓的電磁閥進(jìn)行通信，包括發(fā)出信號(hào)控制其動(dòng)作及檢測夾具的狀態(tài).上下料機(jī)器人通過PLC接收數(shù)控機(jī)床發(fā)送的信號(hào)[4-5]，通信內(nèi)容包括數(shù)控機(jī)床將門狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、卡盤狀態(tài)、加工狀態(tài)等信息告知機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行上下料.數(shù)控機(jī)床通過同一臺(tái)PLC接收機(jī)器人發(fā)送的信號(hào).信號(hào)內(nèi)容包括機(jī)器人上料完成回至準(zhǔn)備位置發(fā)送使數(shù)控機(jī)床開始加工的信號(hào)、機(jī)器人取料完成使機(jī)床運(yùn)動(dòng)至準(zhǔn)備狀態(tài)位置的信號(hào)、機(jī)器人放料完成發(fā)送使卡盤夾緊的信號(hào)、機(jī)床加工完成機(jī)器人夾緊工件發(fā)送使卡盤松開的信號(hào).數(shù)控機(jī)床內(nèi)置PMC用來控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開關(guān)電磁閥、主軸吹氣電磁閥.表1定義了數(shù)控加工中心與工業(yè)機(jī)器人的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，圖1給出了二者的聯(lián)絡(luò)流程圖，圖2為改造后的上下料機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床實(shí)物布置圖.

2 系統(tǒng)硬件改造

2.1 機(jī)械改造

FUNUC數(shù)控中心在原有基礎(chǔ)上作了如下改造：增加了一扇安全門，由氣缸控制其開關(guān)，開關(guān)狀態(tài)由行程開關(guān)反饋給機(jī)器人；夾具改造為氣動(dòng)卡盤，卡盤的開關(guān)由磁性開關(guān)反饋給機(jī)器人；在主軸末端增加了一個(gè)吹氣裝置；工業(yè)機(jī)器人第六軸末端增加了一平行氣動(dòng)手抓.

表1 數(shù)控加工中心與工業(yè)機(jī)器人聯(lián)絡(luò)信號(hào)定義
Table1 The definition of contact signal between the NC machining center and the industrial robot

機(jī)器人信號(hào)名稱信號(hào)傳輸方向PLC地址數(shù)控機(jī)床PMC地址信號(hào)說明DI10＿01 ←Q0．0Y21．3機(jī)床準(zhǔn)備DI10＿02 ←Q0．1Y21．4機(jī)床完成DI10＿03 ←Q0．2無卡盤開狀態(tài)DI10＿04 ←Q0．3無卡盤關(guān)狀態(tài)DI10＿05 ←Q0．4無門狀態(tài)DI10＿06 ←Q0．5無物料到位DI10＿07 ←Q0．6無成品已取料DO10＿08 →I0．0X8．5開始加工DO10＿09 →I0．1X8．7取料完成DO10＿10 →I0．2Y21．0卡盤開DO10＿11 →I0．3Y21．1卡盤關(guān)DO10＿12 →I0．4無等待物料DO10＿13 →I0．5X3．0加工完成

圖1 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心聯(lián)絡(luò)流程圖Fig.1 The contact flow chart between the industrial robot and the NC machining center

圖2 改造后ABB工業(yè)機(jī)器人與FUNUC數(shù)控機(jī)床實(shí)物布置圖Fig.2 The physical layout of ABB industrial robot and FUNUC CNC machine tool after modification

2.2 氣路設(shè)計(jì)

在整個(gè)改造系統(tǒng)中，共有4個(gè)氣路，其中3個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣缸，一個(gè)末端為吹氣裝置.圖3為3個(gè)氣缸的控制回路.

圖3 氣缸控制回路Fig.3 A cylinder control loop

2.3 電氣設(shè)計(jì)

改造系統(tǒng)中負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人通信的為ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC652，該板共有16個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)和16個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，其中X1、X2為數(shù)字輸出接口，X3、X4為數(shù)字輸入接口.數(shù)字輸出接口中有2個(gè)引腳用來接電磁閥，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人氣缸動(dòng)作，其它輸入與輸出接口分別用來和PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的協(xié)同動(dòng)作.在數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人之間增加PLC，一方面可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和其它設(shè)備如AGV的無線通信，另一方面可以進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人的信息共享.圖4為連接PLC與PMC的FX-50F分線器.數(shù)控系統(tǒng)和PMC相聯(lián)系，通過程序中的M代碼執(zhí)行使PMC輸出信號(hào)控制機(jī)床上電磁鐵的動(dòng)作.圖5為工業(yè)機(jī)器人、PLC、PMC三者之間的通信示意圖.

圖4 數(shù)控機(jī)床上的FX-50分線器Fig.4 The FX-50 divider on NC machine tools

圖5 改造系統(tǒng)通信示意圖Fig.5 The sketch map of transforming communication system

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中需要各自的程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng).工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間通過PLC進(jìn)行通信，需要編寫通信程序，數(shù)控機(jī)床通過PMC程序驅(qū)動(dòng)附加在機(jī)床上的電磁鐵動(dòng)作.

3.1 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作包括各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及末端平行手抓的開合，這些動(dòng)作通過運(yùn)行在工業(yè)機(jī)器人上的RAPID程序驅(qū)動(dòng).程序設(shè)計(jì)中首先要通過示教定義機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)， 包括接貨臺(tái)位置點(diǎn)、上下料中轉(zhuǎn)點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床夾具附近取放料點(diǎn).其中，接貨臺(tái)位置點(diǎn)及數(shù)控機(jī)床取放料點(diǎn)又包括目標(biāo)點(diǎn)及相應(yīng)準(zhǔn)備點(diǎn)等.關(guān)鍵點(diǎn)確定之后，根據(jù)輸入輸出信號(hào)編制機(jī)器人上下料流程圖(如圖6所示).根據(jù)流程圖、關(guān)鍵點(diǎn)，編制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序.

圖6 工業(yè)機(jī)器人上下料流程圖Fig.6 The flow chart of feeding and unloading of the industrial robot

工業(yè)機(jī)器人上料部分程序：

PROC main( )

WaitDI DI10_06, 1;

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v500, z10, CNC_TOOL;

Reset DO10_02;

PulseDOPLength:=2, DO10_01;

MoveJ Offs(JHT_QL,0,0,30), v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_09, 1;

MoveL JHT_QL, v50, fine, CNC_TOOL;

Reset DO10_01;

WaitTime 1;

Set DO10_02;

WaitTime 1;

MoveL Offs(JHT_QL,0,0,30), v50, fine, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB001, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB50, v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_05, 1;

WaitDI DI10_01, 1;

MoveJ CNC_SL_ZB60, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB70, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB110, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB120, v300, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_03, 1;

MoveJ CNC_SL_JJ02, v100, z1, CNC_TOOL;

……

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

ENDPROC

ENDMODULE

3.2 PLC梯形圖設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人之間增加的PLC1200主要負(fù)責(zé)二者之間的通信工作，即信號(hào)在二者之間進(jìn)行發(fā)送和接收，二者之間都要編寫接收和發(fā)送程序.上下料機(jī)器人接收機(jī)床信號(hào)的子程序如圖7所示.

圖7 工業(yè)機(jī)器人接收機(jī)床信號(hào)程序Fig.7 The program of industrial robots receiving machine signal

3.3 PMC梯形圖設(shè)計(jì)

PMC(Programmable Machine Controller)即數(shù)控機(jī)床內(nèi)置式PLC控制技術(shù).在數(shù)控機(jī)床中CNC是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心裝置，機(jī)床為最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PMC是CNC與機(jī)床之間信息交換的平臺(tái)，CNC到PMC的地址為F，反之為G；PMC到機(jī)床的輸入信號(hào)為Y，反之為X[6].本文所進(jìn)行的機(jī)床改造開發(fā)了如下輔助代碼M：安全門開關(guān)代碼、夾具松開夾緊代碼、主軸吹氣打開關(guān)閉代碼、機(jī)床準(zhǔn)備代碼、開始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼.表2為開發(fā)的M代碼.PMC程序中，機(jī)床首先對M代碼進(jìn)行譯碼，譯碼后的地址接通內(nèi)部繼電器Y，由內(nèi)部繼電器驅(qū)動(dòng)外部繼電器[7-9].圖8為卡盤夾具開關(guān)PMC程序圖，夾具開代碼為M17，關(guān)代碼為M18，輸出內(nèi)部繼電器分別為Y0021.0、Y0021.1.

表2 FUNUC數(shù)控加工中心M代碼說明表
Table2 The description table of M code about FUNUC NC machining center

代碼功能類型說明M15安全門開M16安全門關(guān)M23機(jī)床吹氣開M24機(jī)床吹氣關(guān)CNC系統(tǒng)傳送至PMC的信號(hào)CNC系統(tǒng)信號(hào)傳送至PMCM17卡盤松開M18卡盤夾緊M51開始加工M53取料完成機(jī)器人傳送至機(jī)床的信號(hào)機(jī)器人信號(hào)通過PLC傳送至PMCM50機(jī)床準(zhǔn)備M52加工完成機(jī)床傳送至機(jī)器人的信號(hào)CNC系統(tǒng)通過PMC傳至機(jī)器人

3.4 數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

根據(jù)開發(fā)的M代碼，結(jié)合零件圖紙信息，編制工件加工主程序及子程序.其中，主程序需要手動(dòng)輸入，子程序可采用手動(dòng)編程，也可采用軟件進(jìn)行編程.編制的數(shù)控機(jī)床加工主程序程序號(hào)為O0001，調(diào)用的子程序號(hào)為O0002.主程序如下：

O0001；

G0X0Y0Z100；

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關(guān)

G54G90G00 X0 Y0 Z350；放料位置

M15；安全門開

M18；夾具開

N10 M50；準(zhǔn)備

M17；夾具關(guān)

M51；開始加工

M16；安全門關(guān)

G4X3；暫停2s

M98P2；調(diào)用加工子程序

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關(guān)

G54G90G0X0 Y0 Z350；取料位置

M15；安全門開

M52；加工完成

M18；夾具開

M53；取料完成

GOTO 10；程序跳轉(zhuǎn)

M30；

圖8 數(shù)控機(jī)床夾具開關(guān)PMC程序圖Fig.8 The PMC program diagram about the switch of the tool fixture of NC machine

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用ABB工業(yè)機(jī)器人對數(shù)控加工中心上下料做了以下技術(shù)改造：

(1)在工業(yè)機(jī)器人第六軸末端增加了一平行氣動(dòng)手抓；在數(shù)控加工中心上增加了一扇安全門，一臺(tái)氣動(dòng)夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置.增加的裝置全部由氣路進(jìn)行控制.

(2)為便于系統(tǒng)的升級、組網(wǎng)，在工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間增加了一臺(tái)西門子PLC1200，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控加工中心的通信，并可和其它設(shè)備如數(shù)控機(jī)床、PLC及上位機(jī)進(jìn)行通信.

(3)系統(tǒng)啟動(dòng)后，二者按各自的程序自動(dòng)運(yùn)行，通過信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人協(xié)同動(dòng)作.根據(jù)工作過程編寫了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行程序、數(shù)控機(jī)床主程序、PLC1200通信程序及數(shù)控機(jī)床PMC程序，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的上下料.

實(shí)踐證明，改造后的數(shù)控加工中心能成功運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行上下料，從而可取代人完成惡劣工況下的作業(yè).在未來的智能工廠及無人工廠中，該改造技術(shù)亦可推廣運(yùn)用到到其它設(shè)備的升級換代.

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