KUKA制孔機(jī)器人自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱衛(wèi)國，齊 琦

(安徽建筑大學(xué)a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院，b.電子與信息工程學(xué)院，合肥 230601)

在以往的工業(yè)加工生產(chǎn)過程中，需要對大型的工件進(jìn)行制孔加工，由于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工方式單一，往往無法靈活地完成此項(xiàng)任務(wù)，而且在加工過程中需要人工輔助，加工效率和成品工件的質(zhì)量由工人的技術(shù)水平所決定，導(dǎo)致加工生產(chǎn)線效率低，工件加工的精度和可靠性不高，無法滿足用戶的實(shí)際需要。隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用到各種領(lǐng)域，對應(yīng)不同生產(chǎn)線的要求，工業(yè)機(jī)器人可以分為多種類型并具有各種功能。制孔機(jī)器人可以提高制孔加工速度和精度，同時(shí)它可以適應(yīng)各種復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境[1-5]。

我們根據(jù)大型工件加工制孔的實(shí)際情況，對機(jī)器人制孔換刀系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一款自動(dòng)換刀系統(tǒng)：選用六自由度的工業(yè)機(jī)器人，主軸末端安裝制孔執(zhí)行器，它具有對工件識(shí)別、定位、檢測、壓緊、鉆孔和排屑等功能。在以往的實(shí)際加工過程中，由于待加工工件的材料差異、制孔大小不同以及刀具的磨損，需要對刀具進(jìn)行頻繁更換，而此款自動(dòng)換刀系統(tǒng)可以與機(jī)器人相配合，不僅可以縮短非制孔時(shí)間，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，而且可以降低生產(chǎn)投入和人力資源的成本。

1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)包括斗笠式刀庫、西門子PLC S7-1200，西門子交換機(jī)CSM1277，KUKA機(jī)器人控制柜及機(jī)器人。西門子PLC作為主站，KUKA機(jī)器人控制柜作為從站；通訊協(xié)議選用PROFINET協(xié)議；系統(tǒng)總線選用RJ45雙絞線。KUKA機(jī)器人控制柜通過KLI接口與西門子交換機(jī)(CSM1277)相連接，同時(shí)配備控制PC對自動(dòng)換刀系統(tǒng)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行組態(tài)及監(jiān)控。自動(dòng)換刀系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)包含以下兩個(gè)主要部分。

(1)刀庫。斗笠式刀庫由圓形刀盤和驅(qū)動(dòng)裝置組成。圓形刀盤最多可容納12把刀具，每個(gè)位置的刀具都有編號(hào)。刀庫驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)及減速器組成，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圓形刀盤將刀具轉(zhuǎn)到待卸/取刀具位置，再由機(jī)器人主軸制孔執(zhí)行器卸下刀具到刀庫中，或從刀庫拾取刀具到機(jī)器人主軸制孔執(zhí)行器。

(2)機(jī)器人系統(tǒng)。外部卸/取刀裝置由西門子PLC S7-1200，控制PC，KUKA機(jī)器人控制柜和機(jī)器人組成，用戶通過控制PC發(fā)送換刀指令，PLC與機(jī)器人控制柜進(jìn)行通訊，將具體任務(wù)傳送至機(jī)器人控制柜，控制機(jī)器人作出相應(yīng)的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)換刀操作。

2 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的硬件配置及程序設(shè)計(jì)

2.1 斗笠式刀庫

2.1.1 斗笠式刀庫的配置

本系統(tǒng)刀庫中放置了不同規(guī)格的鉆頭、錐絲等10把刀具，并配備對刀機(jī)構(gòu)。鉆孔攻牙斗笠式刀庫如圖2所示(攻牙范圍M3-M12)。

圖2 鉆孔攻牙斗笠式刀庫

刀庫的特點(diǎn)：①鉆孔攻牙斗笠式刀庫分度盤采用鋁合金材料，具有重量輕、體積小、易于安裝的優(yōu)點(diǎn)；②特殊的彈簧夾爪，夾刀時(shí)更穩(wěn)定；③選刀、換刀精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，沖擊性?。虎苓m用于BT，CDT，CAT，HSK型刀柄。

選用西門子S7-1200 CPU 1214C PLC對斗笠式刀庫驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制[6-8]，由PLC對刀庫進(jìn)行相應(yīng)輸入/輸出分配，定義的輸入/輸出點(diǎn)分配如表1所示。

表1 刀庫與PLC輸入/輸出點(diǎn)分配表

2.1.2 刀庫卸刀的程序設(shè)計(jì)

(1)用戶通過控制PC對系統(tǒng)進(jìn)行換刀操作，系統(tǒng)啟動(dòng)PLC，PLC接收到卸刀任務(wù)指令，并進(jìn)行卸刀操作。同時(shí)PLC讀取主軸末端制孔執(zhí)行器當(dāng)前刀具號(hào)，即待卸刀具號(hào)，將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW2中。

(2)PLC讀取刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)，將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW0中，并對待卸刀具號(hào)和刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)進(jìn)行比較。①當(dāng)MW2>MW0，則進(jìn)行運(yùn)算MW2-MW0，將其結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW4中。若MW4<5，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照正方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若MW4>5，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將待卸刀具轉(zhuǎn)到刀庫待卸/取位置。②當(dāng)MW2=MW0，即待卸刀具號(hào)與刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)相同，無需轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。③當(dāng)MW25，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。將待卸刀具轉(zhuǎn)到刀庫待卸/取位置。

(3)PLC對待卸刀具號(hào)與刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤后，由外部機(jī)器人進(jìn)行卸刀操作。

2.1.3 刀庫取刀的程序設(shè)計(jì)

(1)用戶通過控制PC對系統(tǒng)進(jìn)行換刀操作，系統(tǒng)啟動(dòng)PLC，PLC接收到取刀任務(wù)指令，并進(jìn)行取刀操作。同時(shí)PLC讀取刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)，將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW0中。

(2)PLC讀取待取刀具號(hào)，將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW2中，并對待取刀具號(hào)和刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)進(jìn)行比較。①當(dāng)MW2>MW0，則進(jìn)行運(yùn)算MW2-MW0，將其結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器MW4中。若MW4<5，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照正方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若MW4>5，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將待取刀具轉(zhuǎn)到刀庫待卸/取位置。②當(dāng)MW2=MW0，即待取刀具號(hào)與刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)相同，無需轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。③當(dāng)MW25，則伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤按照反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。將待取刀具轉(zhuǎn)到刀庫待卸/取位置。

(3)PLC對待取刀具號(hào)與刀庫待卸/取位置的當(dāng)前刀具號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤后，由外部機(jī)器人進(jìn)行取刀操作。

2.2 機(jī)器人系統(tǒng)

2.2.1 機(jī)器人的配置

選用型號(hào)為KR60的KUKA機(jī)器人對大型工件進(jìn)行自動(dòng)制孔加工，這款工業(yè)機(jī)器人采用KRC4控制管理系統(tǒng)，它集智能化的機(jī)器人操作過程控制、邏輯過程控制、運(yùn)動(dòng)過程控制、安全控制和工藝流程管理控制于一體，控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間可以相互實(shí)時(shí)通信，也可利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速通迅，數(shù)據(jù)的傳輸及信號(hào)通信有專門的軟件安全防火墻，使得通訊網(wǎng)絡(luò)更加安全。在KUKA機(jī)器人主軸末端安裝制孔執(zhí)行器用于完成對斗笠式刀庫待卸/取位置上刀具的卸/取任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)上級(jí)控制器PLC對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的管理和控制。為此需要在機(jī)器人控制柜端配置CELL.SRC程序，以及輸入和輸出端信號(hào)的外部自動(dòng)運(yùn)行接口，在上級(jí)控制器PLC側(cè)編輯外部自動(dòng)程序。機(jī)器人控制柜在外部自動(dòng)程序運(yùn)行方式下，通過外部自動(dòng)運(yùn)行接口與上級(jí)控制器PLC進(jìn)行通迅。上級(jí)控制器PLC可以通過外部自動(dòng)運(yùn)行接口發(fā)送與機(jī)器人外部自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)的信號(hào)：機(jī)器人控制柜的啟動(dòng)和停止信號(hào)、機(jī)器人程序啟動(dòng)和編號(hào)信號(hào)以及故障確認(rèn)信號(hào)等。機(jī)器人控制系統(tǒng)也向上級(jí)控制器PLC發(fā)送相關(guān)的反饋信號(hào)，如運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、故障狀態(tài)信號(hào)[9-10]。

2.2.2 KUKA機(jī)器人與PLC通訊的配置

KUKA機(jī)器人選用PROFINET通訊協(xié)議與西門子PLC S7-1200 CPU1214進(jìn)行通訊，其通訊方式的優(yōu)點(diǎn)在于，機(jī)器人在外部自動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要與上級(jí)控制器PLC進(jìn)行信號(hào)的交互，采用PROFINET通訊協(xié)議，可以解除機(jī)器人和上級(jí)控制器PLC的通訊限制，使其信號(hào)交互更加穩(wěn)定[11]。所以，我們建立了一個(gè)以西門子PLC為核心、包含KUKA機(jī)器人控制柜和機(jī)器人的通訊系統(tǒng)。在workvisual軟件中對KRC4控制柜進(jìn)行PROFINET項(xiàng)目配置：將KRC4的輸入輸出端口映射到PROFINET I/O地址上，將PLC IP地址與KUKA機(jī)器人控制柜IP地址改成同網(wǎng)段；在TIA Portal V15軟件中將KUKA機(jī)器人硬件分配到PROFINET子網(wǎng)傳送過來的信號(hào)映射到PLC IO上，通過MOVE指令完成機(jī)器人程序號(hào)選擇和程序號(hào)選中監(jiān)控。

2.2.3 KUKA機(jī)器人任務(wù)程序的編寫

換刀任務(wù)可分為刀庫卸刀任務(wù)和刀庫取刀任務(wù)。主軸末端制孔執(zhí)行器無刀，取刀任務(wù)；主軸末端制孔執(zhí)行器有刀，卸刀任務(wù)；主軸末端制孔執(zhí)行器有刀卸刀，再取刀任務(wù)。KUKA機(jī)器人對這些任務(wù)進(jìn)行模塊化編程，與上級(jí)控制器PLC進(jìn)行信號(hào)交互，保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與刀庫的卸/取刀指令一致，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在接收到上級(jí)控制器PLC的任務(wù)信號(hào)時(shí)可以對其信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作，配合刀庫完成卸/取刀具任務(wù)[12]。在遇到緊急故障的時(shí)候，上級(jí)控制器PLC有相應(yīng)的中斷程序?qū)收线M(jìn)行處理。主要交互信號(hào)表如表2所示。

表2 主要交互信號(hào)表

3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)卸/取刀功能的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)需要各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作才能完成自動(dòng)換刀任務(wù)，系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制流程圖

(1)用戶通過控制PC對系統(tǒng)進(jìn)行換刀操作，系統(tǒng)啟動(dòng)PLC，同時(shí)PLC啟動(dòng)KUKA機(jī)器人做換刀操作準(zhǔn)備。

(2)機(jī)器人對主軸末端制孔執(zhí)行器進(jìn)行刀具檢測，若無刀具，上級(jí)控制器PLC對機(jī)器人發(fā)出主軸末端制孔執(zhí)行器無刀，取刀任務(wù)；同時(shí)上級(jí)控制器PLC對刀庫、機(jī)器人發(fā)送取刀任務(wù)。刀庫驅(qū)動(dòng)裝置將待取刀具轉(zhuǎn)至刀庫待卸/取刀具位置，上級(jí)控制器PLC確認(rèn)后，對機(jī)器人發(fā)送取刀任務(wù)，主軸末端制孔執(zhí)行器到達(dá)待卸/取刀位置，機(jī)器人完成取刀。機(jī)器人向上級(jí)控制器PLC發(fā)送主軸末端制孔執(zhí)行器取刀應(yīng)答；同時(shí)機(jī)器人對所取刀具號(hào)與目標(biāo)刀具號(hào)再次進(jìn)行比較，確認(rèn)無誤后，發(fā)送任務(wù)完成確認(rèn)信號(hào)。

(3)機(jī)器人對主軸末端制孔執(zhí)行器進(jìn)行刀具檢測，若有刀具，再進(jìn)行卸刀后是否取刀的判斷，若卸刀后無需取刀，上級(jí)控制器PLC對機(jī)器人發(fā)出主軸末端制孔執(zhí)行器有刀，卸刀任務(wù)；同時(shí)上級(jí)控制器PLC對刀庫、機(jī)器人發(fā)送卸刀任務(wù)。刀庫驅(qū)動(dòng)裝置將待卸刀具轉(zhuǎn)至刀庫待卸/取刀具位置，上級(jí)控制器PLC確認(rèn)無誤后，對機(jī)器人發(fā)送卸刀任務(wù)，主軸末端制孔執(zhí)行器到達(dá)待卸/取刀位置，機(jī)器人完成卸刀。機(jī)器人向上級(jí)控制器PLC發(fā)送主軸末端制孔執(zhí)行器卸刀應(yīng)答；同時(shí)機(jī)器人對所卸刀具號(hào)與目標(biāo)刀具號(hào)再次進(jìn)行比較，確認(rèn)無誤后，發(fā)送任務(wù)完成確認(rèn)信號(hào)。若卸刀后再進(jìn)行取刀，上級(jí)控制器PLC對機(jī)器人發(fā)出主軸末端制孔執(zhí)行器有刀卸刀，再取刀任務(wù)；同時(shí)上級(jí)控制器PLC對刀庫、機(jī)器人發(fā)送卸刀任務(wù)。刀庫驅(qū)動(dòng)裝置將待卸刀具轉(zhuǎn)至刀庫待卸/取刀具位置，上級(jí)控制器PLC確認(rèn)后，對機(jī)器人發(fā)送卸刀任務(wù)，主軸末端制孔執(zhí)行器到達(dá)待卸/取刀位置，機(jī)器人完成卸刀。機(jī)器人向上級(jí)控制器PLC發(fā)送主軸末端制孔執(zhí)行器卸刀應(yīng)答。此時(shí)上級(jí)控制器PLC再對刀庫、機(jī)器人發(fā)送取刀任務(wù)。刀庫驅(qū)動(dòng)裝置將待取刀具轉(zhuǎn)至刀庫待卸/取刀具位置，上級(jí)控制器PLC確認(rèn)后，對機(jī)器人發(fā)送取刀任務(wù)，機(jī)器人完成取刀。機(jī)器人向上級(jí)控制器PLC發(fā)送主軸末端制孔執(zhí)行器取刀應(yīng)答；同時(shí)機(jī)器人對所取刀具號(hào)與目標(biāo)刀具號(hào)再次進(jìn)行比較，確認(rèn)無誤后，發(fā)送任務(wù)完成確認(rèn)信號(hào)。

4 制孔機(jī)器人配備裝置及生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)

在實(shí)際加工生產(chǎn)中，可以在機(jī)器人的底部加裝水平移動(dòng)工作臺(tái)，方便制孔機(jī)器人進(jìn)行卸/取刀和制孔加工的操作，機(jī)器人移動(dòng)工作臺(tái)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人移動(dòng)工作臺(tái)

由于機(jī)器人的工作范圍有限，可以配置柔性翻轉(zhuǎn)裝置，將待加工工件放入設(shè)備艙中，這樣制孔機(jī)器人進(jìn)行制孔作業(yè)時(shí)，艙體可以隨著柔性翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行0°～360°轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備艙，將設(shè)備艙調(diào)整到合適的位置，以方便制孔作業(yè)。柔性翻轉(zhuǎn)裝置如圖5所示。

圖5 柔性翻轉(zhuǎn)裝置

工件加工完成后需要進(jìn)行搬運(yùn)，對于體積較大、質(zhì)量較重的工件，可以增加移動(dòng)吊臂對其進(jìn)行轉(zhuǎn)移。移動(dòng)吊臂如圖6所示。

圖6 移動(dòng)吊臂

制孔機(jī)器人加工車間的效果圖如圖7所示。

圖7 制孔機(jī)器人加工車間效果圖

5 結(jié)論

本文針對大型工件制孔加工存在效率不高、難以控制其加工精度的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了KUKA制孔機(jī)器人自動(dòng)換刀系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的制孔加工程序，機(jī)器人自動(dòng)換刀系統(tǒng)具有更高的效率和精度，同時(shí)換刀操作簡單、安全。