機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

孟凱 翟志永 張海英

摘 要：機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究涉及自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、邏輯程序編寫、人機(jī)交互、數(shù)控機(jī)床操作、工業(yè)機(jī)器人操作等專業(yè)。研究其技術(shù)是現(xiàn)階段智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用設(shè)計(jì)所涉及的知識(shí)較多，實(shí)現(xiàn)難度高，知識(shí)融合度比較復(fù)雜，存在開發(fā)周期長、人員分工不明確、開發(fā)效率低、開發(fā)成本高等問題。本文以智能制造為背景，設(shè)計(jì)了機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)，研究了機(jī)器人群在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能制造;系統(tǒng)集成;工業(yè)機(jī)器人

1 機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以工廠或?qū)W校車間機(jī)械工件加工為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)出主站單元、機(jī)床上下料單元、數(shù)控加工單元、從站單元、信息化管理單元等，每個(gè)單元都有相應(yīng)的功能。各個(gè)單元功能如表1-1所示。

依靠系統(tǒng)中各個(gè)單元的的的協(xié)作，完成機(jī)械工件自動(dòng)運(yùn)輸、自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測、自動(dòng)補(bǔ)償和最后的自動(dòng)入庫，實(shí)現(xiàn)智能制造。

本系統(tǒng)中主站單元作為為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，它實(shí)時(shí)的對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行進(jìn)行控制和管理，并與從站循環(huán)地交換信息;從站單元包括倉儲(chǔ)單元、自動(dòng)清洗烘干單元、產(chǎn)品輸送單元、自動(dòng)檢測單元。

2機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)嚴(yán)格來講是一個(gè)制造單元，制造單元是組織生產(chǎn)的基本單位，是具有自治能力的邏輯制造系統(tǒng)[1]，是由智能機(jī)器人和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能獲得，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思、決策等[2]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是依據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照生產(chǎn)加工的不同階段，分為毛坯供給→數(shù)控機(jī)床加工→不合格產(chǎn)品繼續(xù)加工→成品入庫等多個(gè)工序。這樣的設(shè)計(jì)符合先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的新工藝、新知識(shí)、新技能、新任務(wù)的需求。各工序動(dòng)作由數(shù)控機(jī)床、PLC、機(jī)器人和AGV機(jī)器人配合完成。系統(tǒng)采用S7-300 PLC進(jìn)行控制，由Profibus-DP總線、無線網(wǎng)、I/O等通訊連接各個(gè)從站，通過工控機(jī)軟件診斷當(dāng)前狀態(tài)。

2.2系統(tǒng)控制流程

本系統(tǒng)分為倉儲(chǔ)單元、加工單元、運(yùn)輸單元、機(jī)器人上下料單元、檢測單元。系統(tǒng)各單元控制流程如圖2-1所示。

2.3程序分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)作流程圖，分析系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)的傳遞。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)機(jī)器人抓取工件到達(dá)事先指定位置后，需要發(fā)送信號(hào)給數(shù)控機(jī)床，要求數(shù)控機(jī)床打開機(jī)床防護(hù)門。下面具體介紹機(jī)器人到數(shù)控機(jī)床的信號(hào)傳遞。

2.3.1機(jī)器人發(fā)出信號(hào)，數(shù)控機(jī)床接收

（1）機(jī)器人抓取工件到達(dá)事先指定位置后，發(fā)出信號(hào)給數(shù)控機(jī)床：機(jī)器人程序語句（AS語言）

Signal1;通知數(shù)控機(jī)床打開防護(hù)門

（2）查看機(jī)器人硬件接口地址，由于機(jī)器人直接與主站采取I/O通信方式，對(duì)照主站S7-300PLC地址，設(shè)定出機(jī)器人輸出信號(hào)與S7-300輸入信號(hào)接口地址，輸出對(duì)應(yīng)的S7-300（主站）的輸入信號(hào)為I0.4。

（3）確定好S7-300輸入信號(hào)為I0.4，在S7-300PLC中設(shè)計(jì)出邏輯程序，程序如下：

（4）根據(jù)S7-300與S7-200之間的Profibus通信協(xié)議，S7-300輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的S7-200的接收信號(hào)為V0.4，V0.4在S7-200的PLC程序如下：

（5）設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床PMC程序：查看S7-200輸出信號(hào)硬件接口地址Q0.1，Q0.1對(duì)應(yīng)數(shù)控機(jī)床的輸入信號(hào)為X0.1，而X0.1在數(shù)控機(jī)床PMC中的程序設(shè)計(jì)如下：

數(shù)控機(jī)床信號(hào)Y6.4為1，通過繼電器與接觸器配合，觸發(fā)防護(hù)門打開電磁閥，數(shù)控機(jī)床防護(hù)門打開。

當(dāng)數(shù)控機(jī)床完成工件的加工之后，會(huì)自動(dòng)把機(jī)床防護(hù)門打開，同時(shí)裝夾工件的液壓卡盤也會(huì)自動(dòng)松開，這時(shí)數(shù)控機(jī)床會(huì)發(fā)出信號(hào)給機(jī)器人前來抓取工件，機(jī)器人接收到信號(hào)后會(huì)自動(dòng)去數(shù)控機(jī)床里面抓取工件。下面具體介紹數(shù)控機(jī)床到機(jī)器人的信號(hào)傳遞。

2.3.2數(shù)控機(jī)床發(fā)出信號(hào)，機(jī)器人接收

（1）數(shù)控機(jī)床防護(hù)門打開到位，液壓卡盤松開到位后，主動(dòng)發(fā)出加工完成信號(hào)M24，最終出發(fā)輸出信號(hào)Y6.0。

（2）數(shù)控機(jī)床跟從站S7-200PLC采取I/O通信方式，數(shù)控機(jī)床加工完成信號(hào)M24最終通過KM21觸發(fā)S7-200PLC，S7-200PLC輸入信號(hào)為I1.3。

（3）確定好S7-200輸入信號(hào)為I1.3，在S7-200PLC中設(shè)計(jì)出邏輯程序，程序如下：

（4）根據(jù)S7-300與S7-200之間的Profibus通信協(xié)議，S7-200輸出信號(hào)V6.2對(duì)應(yīng)S7-300輸入信號(hào)為I4.2。

（5）S7-300PLC輸出信號(hào)傳遞給機(jī)器人，S7-300輸出信號(hào)為Q0.3，Q0.4，Q0.5，對(duì)應(yīng)的機(jī)器人輸入信號(hào)為IN1、IN2、IN3。

（6）機(jī)器人硬件輸入信號(hào)IN1，IN2，IN3。用AS語言來編寫為1001、1002、1003。

（7）設(shè)計(jì)機(jī)器人程序：

Wait（1001、1002、1003）;機(jī)器人等待1001、1002、1003三個(gè)信號(hào)。

JMOVE#a;等待條件達(dá)到后，執(zhí)行移動(dòng)指令并最終到達(dá)指定位置a。

機(jī)器人等待信號(hào)到位后，機(jī)器人執(zhí)行移動(dòng)指令并到達(dá)提取工件位置，把數(shù)控機(jī)床加工好的工件抓取到指定位置，完成抓取工作。

3總結(jié)與展望

本文主要是以智能制造為研究背景，研究了智能制造系統(tǒng)下各個(gè)單元之間的相互作用與聯(lián)系，以機(jī)械工件為研究對(duì)象，該系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人把待加工工件送至數(shù)控機(jī)床加工，數(shù)控機(jī)床加工好工件后，工業(yè)機(jī)器人把工件送至工件檢測臺(tái)，通過工件檢測臺(tái)的自動(dòng)測量，把工件的所有尺寸數(shù)據(jù)上傳總控，總控通過計(jì)算把不合格工件的誤差尺寸傳送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)完成工件誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，機(jī)器人把不合格工件重新送到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。本文在機(jī)器人群控智能制造系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)時(shí)提出了一些前提假設(shè)，由于本文未考慮自動(dòng)檢測臺(tái)數(shù)據(jù)的影響，在實(shí)際自動(dòng)加工過程中會(huì)出現(xiàn)一些問題和報(bào)警，因此，未來還要對(duì)系統(tǒng)一些單元進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使之更符合實(shí)際生產(chǎn)的需要。智能制造領(lǐng)域?qū)儆谝粋€(gè)全新的領(lǐng)域，對(duì)智能制造的探索和研究才剛開始，還要進(jìn)一步深入。

參考文獻(xiàn)

[1]王軍強(qiáng)，孫樹棟，王東成，等.基于約束理論的制造單元管理與控制研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（7）：1108-1116.

[2][美]李杰，倪軍，王安正著.從大數(shù)據(jù)到智能制造[M].2016.