基于I/O點(diǎn)的Fanuc數(shù)控系統(tǒng)與ABB工業(yè)機(jī)器人通信與控制

于聯(lián)周 李 曼 張 波

（1.沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167；2.蘇州怡合達(dá)自動(dòng)化科技有限公司，江蘇 昆山 215341）

0 引言

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱(chēng)，是裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠有邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序并對(duì)其進(jìn)行譯碼，將其轉(zhuǎn)換為代碼化的數(shù)字，通過(guò)信息載體輸入數(shù)控裝置[1]。經(jīng)過(guò)運(yùn)算和處理，由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，從而控制機(jī)床的動(dòng)作，按照?qǐng)D紙要求的尺寸和輪廓自動(dòng)加工零件。數(shù)控機(jī)床可以較好地解決精密、復(fù)雜、多品種以及小批量的零件加工問(wèn)題，具有高效能、柔性的特點(diǎn)，它代表現(xiàn)代化機(jī)床控制的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。Fanuc 數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代生產(chǎn)中最常見(jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)之一，可最多實(shí)現(xiàn)5 軸聯(lián)動(dòng)且具備高精度CS 輪廓控制及AI 輪廓控制，同時(shí)具備高性能FSSB串行伺服總線(xiàn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域處于國(guó)際一線(xiàn)水平。

工業(yè)機(jī)器人一般在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，例如汽車(chē)制造、摩托車(chē)制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品以及化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)（點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割以及電子裝配）和物流系統(tǒng)（搬運(yùn)、包裝以及碼垛）中的相關(guān)工作[2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將工業(yè)機(jī)器人定義為具備自動(dòng)控制和重復(fù)編程功能，可以多自由度開(kāi)展工作的操作機(jī)，它能通過(guò)搬運(yùn)材料、工件或操持工具來(lái)完成各種作業(yè)[3]。ABB 工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域四大家族成員之一，是工業(yè)領(lǐng)域最常用的機(jī)器人之一。

1 我國(guó)自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)的自動(dòng)化水平發(fā)展迅速，主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面：1） 國(guó)家的大力支持。工業(yè)發(fā)達(dá)城市基本上都實(shí)施產(chǎn)業(yè)升級(jí)、機(jī)器換人等相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，也出臺(tái)了一些扶持政策。2） 從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)看，新能源、汽車(chē)、家電以及消費(fèi)電子這些行業(yè)的自動(dòng)化程度相對(duì)比較高，主要是因?yàn)檫@些產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品附加值相對(duì)比較高。自動(dòng)化程度的高低可以反映一個(gè)行業(yè)的整體發(fā)展水平，自動(dòng)化程度越高，整體發(fā)展水平也越高。隨著我國(guó)人口紅利逐步消失，工業(yè)領(lǐng)域的用工成本也越來(lái)越高，因此自動(dòng)化取代人力勞動(dòng)已成不可逆的趨勢(shì)。

數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化多采用PLC 進(jìn)行總線(xiàn)控制，這種適合大型生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)與規(guī)劃對(duì)單島型數(shù)控機(jī)床與單臺(tái)機(jī)器人來(lái)說(shuō)容易造成浪費(fèi)PLC 資源的現(xiàn)象，同時(shí)在控制過(guò)程中，通過(guò)PLC 總線(xiàn)控制，會(huì)出現(xiàn)0.08 ms 的系統(tǒng)T 圖掃描延時(shí)。因此，該文提出一種針對(duì)單島型數(shù)控機(jī)床與單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人連接控制的方式，即將數(shù)控系統(tǒng)作為上位機(jī)，通過(guò)數(shù)控機(jī)床I/O 點(diǎn)與工業(yè)機(jī)器人I/O 點(diǎn)進(jìn)行通信，從而達(dá)到協(xié)作運(yùn)動(dòng)的目的，最終通過(guò)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控程序，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)控制機(jī)器人完成規(guī)定的動(dòng)作，可控制機(jī)器人完成數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化上下料或其他類(lèi)似動(dòng)作，進(jìn)而完成整個(gè)動(dòng)作循環(huán)。

2 I/O 點(diǎn)介紹

2.1 數(shù)控機(jī)床I/O 點(diǎn)

該文以沈陽(yáng)機(jī)床VMC850E 為例，該設(shè)備系統(tǒng)選用Fanuc-Oi-MF 數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)備共配置24 個(gè)輸入點(diǎn)，可以對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與讀取，分別為X4.0～X4.7、X8.0～X8.7 以及X9.0～X9.7，共計(jì)24 個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn)。在24 個(gè)輸入信號(hào)中，可分配給用戶(hù)使用的為X4.6、X4.7、X8.6、X8.7、X9.6 以及X9.7，而X4.7 多數(shù)作為探頭及對(duì)刀儀的快速跳轉(zhuǎn)信號(hào)，一般不作為其他設(shè)備的輸入點(diǎn)，該文選用X8.6、X8.7、X9.6 以及X9.7 作為外部信號(hào)的輸入點(diǎn)。選用Y2.0、Y2.1 作為外部信號(hào)的輸出點(diǎn)。

2.2 ABB 工業(yè)機(jī)器人I/O 點(diǎn)（IRB120）

IRB120 Compact 控制器包括附加軸A-XS8、電源電纜連接器、連接器B-XS4 FlexPendant、連接器C-XS7 I/O、安全連接器D-XS9、電源電纜連接器E-XS1、電源輸入連接器F-XS0、電源連接器G-XS10、連接器H-XS11 DeviceNet、信號(hào)電纜連接器I-XS41、信號(hào)電纜連接器J-XS2、軸選擇器連接器K-XS13、附加軸L-XS12 以及信號(hào)電纜連接器。如圖1 所示。

圖1 IRB120 Compact 控制器

該文所用到的I/O 連接器XS7 是指機(jī)器人控制柜端的連接器，與之對(duì)應(yīng)的客戶(hù)接線(xiàn)端連接器為XP7。XP7 的1～8端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的1～8 號(hào)，即DSQC652 的do1～do8 的輸出信號(hào)；9～10 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的9～10 號(hào)，9 號(hào)接0 V，10 號(hào)接24 V；11～18 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的11～18 號(hào)，即DSQC652 的do9～do16 的輸出信號(hào)；19～20 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的19～20 號(hào)，因?yàn)槠湓趦?nèi)部已與9～10 號(hào)短接好，所以連接時(shí)可忽略；21～28 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的21～28 號(hào)，即DSQC652 的di1～di8 的輸入信號(hào)；29～30 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7的29～30 號(hào)，29 號(hào)接0 V，30 號(hào)為空；31～38 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的31～38 號(hào)，即DSQC652 的di9～di16 的輸入信號(hào)；39～40 號(hào)端子對(duì)應(yīng)的是XS7 的39～40 號(hào)，因?yàn)槠湓趦?nèi)部已經(jīng)與29 號(hào)短接好，所以連接時(shí)可忽略[4]。

3 數(shù)控機(jī)床PMC、機(jī)器人程序及線(xiàn)纜連接

3.1 數(shù)控機(jī)床PMC 及程序

FANUC 數(shù)控系統(tǒng)中F 信號(hào)是系統(tǒng)側(cè)的輸入信號(hào)，G 是系統(tǒng)側(cè)的輸出信號(hào)，X 是機(jī)床外部輸入信號(hào)，Y 是機(jī)床外部輸出信號(hào)，其關(guān)系如圖2 所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床信號(hào)關(guān)系圖

3.1.1 通過(guò)外部信號(hào)進(jìn)行程序選擇

數(shù)控機(jī)床外部信號(hào)只能通過(guò)數(shù)控機(jī)床I/O 板傳遞給PMC，而不能直接傳給CNC，如果想在數(shù)控程序中識(shí)別外部輸入信號(hào)，那么可以通過(guò)PMC 將外部輸入的X 信號(hào)轉(zhuǎn)換為G 信號(hào)，再通過(guò)系統(tǒng)變量與G 信號(hào)建立關(guān)系，最后通過(guò)用戶(hù)宏變量訪問(wèn)系統(tǒng)變量，從而獲得數(shù)控程序可讀取的信號(hào)。系統(tǒng)變量與G 信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1，系統(tǒng)變量與F 信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表1 系統(tǒng)變量與G 信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 系統(tǒng)變量與F 信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

在Fanuc 數(shù)控系統(tǒng)中，需要將ABB 工業(yè)機(jī)器人的輸出點(diǎn)作為數(shù)控機(jī)床的外部信號(hào)點(diǎn)并與系統(tǒng)變量#1000、#1001、#1002 以及#1003 建立聯(lián)系，將該機(jī)器人的輸出點(diǎn)接入數(shù)控機(jī)床的X8.7、X9.7，采用二進(jìn)制讓系統(tǒng)讀取外部信號(hào)輸入點(diǎn)，在PMC 中通過(guò)X8.7、X9.7 與G54.0-G54.3 建立連接，信號(hào)點(diǎn)見(jiàn)表3，T 型圖如圖3 所示。如果在數(shù)控程序中調(diào)用4 個(gè)程序不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，再引入其他輸入點(diǎn)或擴(kuò)充輸入點(diǎn)。

圖3 信號(hào)X 信號(hào)G 連接關(guān)系T 型圖

表3 輸入信號(hào)與系統(tǒng)變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

在程序中，將系統(tǒng)變量#1000、#1001、#1002 以及#1003賦值給用戶(hù)變量#1、#2、#3 以及#4，進(jìn)而在程序中使用相關(guān)變量，當(dāng)#1 為1 時(shí)，程序調(diào)用O1101 子程序；當(dāng)#2 為1時(shí)，程序調(diào)用O1102 子程序；當(dāng)#3 為1 時(shí)，程序調(diào)用O1103子程序；當(dāng)#4 為1 時(shí)，程序調(diào)用O1104 子程序。數(shù)控系統(tǒng)的程序如下。

3.1.2 通過(guò)外部信號(hào)重新啟動(dòng)M00

數(shù)控程序在遇到暫停程序指令（M00）后，會(huì)進(jìn)入無(wú)條件暫停狀態(tài)，直到有信號(hào)再次激發(fā)CYCLE_START（G7.2）信號(hào)，中間繼電器R326.6 一次得電就可以再次啟動(dòng)數(shù)控程序。在T 型圖中，R1056.4 為矩陣面板中的循環(huán)啟動(dòng)按鍵，通過(guò)R1056.4 可控制線(xiàn)圈R326.6。

為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)X8.6、X9.6 對(duì)線(xiàn)圈R326.6 進(jìn)行控制的目標(biāo)，將其并聯(lián)到R1056.4 上，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人輸出相應(yīng)指令時(shí)，通過(guò)X8.6 或X9.6 再次啟動(dòng)數(shù)控程序，如圖4 所示。

圖4 X8.6、X9.6 并聯(lián)T 型圖

在Fanuc 矩陣面板中，中間繼電器R10.7、R11.0、R11.1以及R11.2 分別對(duì)應(yīng)輔助功能代碼M10、M11、M12 以及M13，為方便通過(guò)數(shù)控程序輸出外部信號(hào)，在PMC 中將其與機(jī)床輸出信號(hào)連接在一起，T 型圖如圖5 所示。之后將機(jī)床輸出點(diǎn)信號(hào)Y2.0、Y2.1 連接到工業(yè)機(jī)器人的輸入點(diǎn)并與機(jī)器人進(jìn)行通信。

圖5 機(jī)床輸出信號(hào)T 型圖

3.2 ABB 工業(yè)機(jī)器人程序

在工業(yè)機(jī)器人中，可以接收數(shù)控機(jī)床的外部輸出信號(hào)Y作為ABB 工業(yè)機(jī)器人的輸入信號(hào)di，同時(shí)還可以輸出信號(hào)do，作為數(shù)控機(jī)床的外部輸入信號(hào)X，其接線(xiàn)連接如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床線(xiàn)纜連接圖

4 結(jié)論

該文介紹了ABB 工業(yè)機(jī)器人與Fanuc 系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通信連接的方式，在使用過(guò)程中，須靈活處理，例如根據(jù)調(diào)用程序的多少，可適當(dāng)增減數(shù)控機(jī)床程序控制輸入點(diǎn)個(gè)數(shù)。同時(shí)，通過(guò)二進(jìn)制編程方式對(duì)T 型圖進(jìn)行更改。當(dāng)控制數(shù)控M00 時(shí)，該文采用T 型圖與循環(huán)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)并聯(lián)的方式進(jìn)行再次啟動(dòng)，可以為數(shù)控機(jī)床與ABB 工業(yè)機(jī)器人通信配合使用提供參考。