基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李笑平

摘 要：工業(yè)機(jī)器人是數(shù)控加工系統(tǒng)不可或缺的工具，本文從硬件和軟件兩方面入手，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為數(shù)控加工的現(xiàn)代化發(fā)展提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;數(shù)控加工系統(tǒng);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659;TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0016-03

Design of CNC Machining System Based on Industrial Robot

LI Xiaoping

（Chengdu Vocational & Technical College of Industry，Chengdu Sichuan 610200）

Abstract： Industrial robots are indispensable tools for CNC machining systems， this paper starts with hardware and software， and designs a CNC machining system based on industrial robots. The design and application of this system further improve production efficiency and product quality， and provide strong support for the modern development of CNC machining.

Keywords： industrial robot;CNC machining system;design

近些年，我國的科技水平不斷提升，這使得工業(yè)機(jī)器人逐漸走入人們的視野，并在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人實(shí)際就是如多自由度機(jī)械裝置或者是多關(guān)節(jié)機(jī)械手這樣具有較高自動(dòng)化和智能化水平的機(jī)械設(shè)備，其可以借助自身的控制能力和動(dòng)力源泉來實(shí)現(xiàn)一些人力難以完成的工作。但是，要想在數(shù)控加工領(lǐng)域有效應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，并保證其綜合效用的有效發(fā)揮，相關(guān)領(lǐng)域需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

1 基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 材料堆放及翻轉(zhuǎn)單元

材料堆放及翻轉(zhuǎn)單元涉及原料平面檢測倉、過濾減壓閥、材料翻轉(zhuǎn)氣爪以及系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)等內(nèi)容。主要功能如下：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟停、急停、復(fù)位操作;存放待加工原材料;作為系統(tǒng)氣源進(jìn)口，過濾減壓;原材料加工過程中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即在原材料一頭經(jīng)機(jī)床加工以后，機(jī)器人會(huì)控制翻轉(zhuǎn)氣爪對(duì)其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而完成另一面的加工處理。

1.2 皮帶運(yùn)輸單元

皮帶運(yùn)輸單元的核心部分為皮帶傳輸機(jī)構(gòu)，動(dòng)力來源于異步電動(dòng)機(jī)。在機(jī)器人將待加工材料放置在皮帶上以后，傳送帶會(huì)在收到運(yùn)行指令以后啟動(dòng)運(yùn)行，而在材料達(dá)到既定位置以后，尾部傳感器會(huì)檢測并發(fā)出信號(hào)，將傳送帶停止，直到機(jī)器人對(duì)材料進(jìn)行抓取。

1.3 上下料單元

上下料單元包含工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等內(nèi)容，具有較高的自動(dòng)化水平，主要是由工業(yè)機(jī)器人將待加工工件移動(dòng)至機(jī)床加工工位進(jìn)行自動(dòng)加工，在完成加工以后，工業(yè)機(jī)器人抓取工件并將其放到相應(yīng)的位置上。

1.4 控制器與氣源供應(yīng)單元

控制器與氣源供應(yīng)單元主要由變頻器、斷路器、空氣壓縮機(jī)、三菱可編程邏輯控制器（PLC）、接線端子排以及開關(guān)電源等構(gòu)成，是電氣元件的一種匯集體，能夠進(jìn)行氣源以及電源的有效供給。

1.5 智能分揀單元

智能分揀單元主要涉及分揀機(jī)器人及碼垛立體倉庫兩部分。本設(shè)計(jì)主要使用ABBIRB1410工業(yè)機(jī)器人以及3×3碼垛立體倉庫。具體功能如下：在傳送帶尾部，傳感器檢測到工件達(dá)到既定位置以后，機(jī)器人會(huì)隨之啟動(dòng)進(jìn)行工件的抓取，并根據(jù)倉庫工件碼放情況，按順序進(jìn)行入庫處理。

基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)主要應(yīng)用三菱PLC當(dāng)作控制中心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型

本系統(tǒng)應(yīng)用的硬件設(shè)備主要包括ABBIRB1410工業(yè)機(jī)器人、供氣系統(tǒng)、光電傳感器、RS485通信模塊、華中HNC-180XP/T3數(shù)控系統(tǒng)、限位開關(guān)、三菱FR-D720S變頻器、三菱FX3U系列PLC以及相關(guān)部件等。利用這些硬件設(shè)施，數(shù)控加工中心可以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)材料的靈活抓取，數(shù)控機(jī)床負(fù)責(zé)各項(xiàng)材料的加工，并對(duì)材料以及零部件進(jìn)行移動(dòng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

在TCP/IP協(xié)議中，Modbus/TCP屬于Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議，屬于標(biāo)準(zhǔn)形式的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。該協(xié)議能夠通過網(wǎng)絡(luò)或者相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制器間的有效通信，并滿足控制器與工業(yè)機(jī)器人間的通信需求。

PLC編程軟件需要調(diào)用Modbus/TCP的指令庫。由于指令是Modbus/TCP服務(wù)器順利通過控制器與PLC集成接口有效連接和通信的基礎(chǔ)保障，因此網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)過程需要應(yīng)用MB-SERVER以及MB-CLIENT等指令。其中，前者用于對(duì)Modbus/TCP客戶端連接請(qǐng)求以及Modbus功能接收請(qǐng)求的發(fā)送和響應(yīng)，而后者則可以在服務(wù)器和客戶端之間構(gòu)建連接，對(duì)相關(guān)請(qǐng)求進(jìn)行發(fā)送、接收、響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP服務(wù)器連接終端的有效控制[1]。

控制器PLC和機(jī)器人之間進(jìn)行交互，主要是為了接收PLC的動(dòng)作指令，具體地執(zhí)行指令動(dòng)作，同時(shí)將動(dòng)作執(zhí)行情況反饋至PLC，確保系統(tǒng)運(yùn)行的正常性。而工業(yè)機(jī)器人向主控制器PLC反饋的信息通常由指令響應(yīng)狀態(tài)信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息等內(nèi)容構(gòu)成。

數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人之間的通信主要是通過以下設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。首先，數(shù)控機(jī)床的夾具、安全門以及加工狀態(tài)等信息都會(huì)以布爾量為基礎(chǔ)，在指定寄存器中存放。工業(yè)機(jī)器人會(huì)通過Modbus設(shè)備讀取多個(gè)寄存器中的數(shù)值，并判斷其中的布爾量，以設(shè)定動(dòng)作軌跡[2]。

與此同時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)還需要選擇和確定PLC端口，即主站中的0#PLC和從站中的1#PLC。下面以1#PLC為例進(jìn)行說明。該P(yáng)LC端口涉及輸入端口和輸出端口，其中，輸入端口涉及X11、X12、X13以及X14，分別代表傳送帶材料放置檢測、傳送帶材料移動(dòng)檢測、機(jī)器人完成物件抓?。∣UT2）以及機(jī)器人完成放件（OUT3）。而輸出端口涉及Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7以及Y8。其中，Y0、Y1代表變頻器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，Y2為電機(jī)抱閘，其余輸出端口則分別是機(jī)器人的取件（IN1）、放件（IN2）、Stop（IN3）、Start at Main（IN4）、Motors Off（IN5）以及Mo tors On（IN6）。

除了需要對(duì)上述PLC端口進(jìn)行選擇和確定以外，還要對(duì)機(jī)床信號(hào)、機(jī)器人信號(hào)以及PLC通信信號(hào)加以確定。[3]。

3 基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

第一，復(fù)位，由工業(yè)機(jī)器人1#到材料庫位進(jìn)行材料抓取，然后將其放置在數(shù)控機(jī)床上，在數(shù)控機(jī)床夾具將材料夾緊以后，工業(yè)機(jī)器人1#在機(jī)床外等候。第二，機(jī)床對(duì)材料進(jìn)行加工處理，其間，工業(yè)機(jī)器人1#會(huì)在機(jī)床進(jìn)行取件，在機(jī)床夾具松開以后，將材料放在旋轉(zhuǎn)夾具上夾緊，并在一旁等候。在完成材料旋轉(zhuǎn)以后，工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)取件，回到材料放置工位，并將旋轉(zhuǎn)夾具復(fù)位，待機(jī)床夾緊材料以后，再次在一旁等候。第三，在機(jī)床完成材料的二次加工以后，會(huì)將工件放置到傳動(dòng)帶中，運(yùn)送至機(jī)床末端，處在機(jī)床末端部位的工業(yè)機(jī)器人2#會(huì)對(duì)工件進(jìn)行夾取，在其離開傳動(dòng)帶末端以后，傳動(dòng)帶會(huì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，完成工件的庫存處理。第四，工業(yè)機(jī)器人2#在完成相關(guān)工作以后會(huì)回到傳動(dòng)帶末端，等待工件達(dá)到信號(hào)，然后循環(huán)運(yùn)行[4]。

3.1 PLC控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的三菱PLC有2臺(tái)，在進(jìn)行控制程序編寫的過程中，將0#PLC設(shè)為主站，而1#PLC作為從站使用.在此過程中，從站個(gè)數(shù)應(yīng)為1，而通信方面的軟元件點(diǎn)刷新模式也應(yīng)該是1，重試次數(shù)可以設(shè)置成3次。通信超時(shí)上限可以設(shè)置為50 ms，需要注意的是，這個(gè)超時(shí)限值應(yīng)該參考2臺(tái)PLC的設(shè)置距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常，距離越長，則設(shè)置的時(shí)間應(yīng)該越長[5]。

3.2 工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方面具有相應(yīng)的控制機(jī)能，因此可以設(shè)置連續(xù)軌跡，也可以設(shè)置點(diǎn)位軌跡。其中，點(diǎn)位軌跡就是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一點(diǎn)向另一點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的移動(dòng)和定位，通常在一般裝卸、運(yùn)輸以及機(jī)床上下料等操作中使用。而在數(shù)控加工中，原材料運(yùn)輸和零件倉儲(chǔ)都可以通過系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人來完成。

此外，為了有效提升上下料機(jī)器人的工作精度及效率，人們還需要結(jié)合其末端位置姿態(tài)和運(yùn)行路徑，針對(duì)其運(yùn)行軌跡進(jìn)行平滑參數(shù)的調(diào)整，在兩臺(tái)直線路徑中進(jìn)行過渡路徑的規(guī)劃。在數(shù)控機(jī)床上下料操作中，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)多為直線路徑，而在兩個(gè)相鄰路徑之間設(shè)置過渡點(diǎn)，應(yīng)用線性軌跡圓弧過渡的方式，算法較為簡單，而且在編程中容易實(shí)現(xiàn)，因此其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行有效的應(yīng)用。

結(jié)合工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件的放置要求，人們需要保證工業(yè)機(jī)器人末端夾具垂直運(yùn)行至起始位置[P1]，而[P1]到達(dá)[P2]位置的運(yùn)行軌跡如圖2（a）所示，主要為直線軌跡，[P1]需要在水平移動(dòng)以后到達(dá)距離[P2]位置的50 cm處，然后垂直運(yùn)動(dòng)50 cm，到達(dá)既定位置。如果應(yīng)用圓弧過渡算法，將機(jī)械下一運(yùn)動(dòng)距離與原有運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行重疊，就獲得新的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2（b）所示。下面使用Move.ForceOverlap指令，使工業(yè)機(jī)器人從[P1]移動(dòng)到[P2]位置，將運(yùn)動(dòng)距離和目標(biāo)距離進(jìn)行百分比重疊，系統(tǒng)程序最終會(huì)對(duì)2個(gè)距離進(jìn)行50%的重疊處理。

完成準(zhǔn)備工作以后，數(shù)控機(jī)床會(huì)向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送相關(guān)信號(hào)，而工業(yè)機(jī)器人接收到該信號(hào)以后，就會(huì)執(zhí)行動(dòng)作，對(duì)原材料進(jìn)行輸送，將其放置在機(jī)床夾盤處夾緊，然后機(jī)械臂會(huì)隨之退出，并將數(shù)控門關(guān)閉，最后有數(shù)控門部分的限位開關(guān)會(huì)發(fā)布數(shù)控加工指令。在進(jìn)行數(shù)控加工的過程中，根據(jù)不同的原材料、精度要求以及元件特性，運(yùn)行軌跡也不盡相同。具體運(yùn)行軌跡是由數(shù)控編程來決定的，但加工流程基本是一致的。

4 結(jié)語

以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和應(yīng)用數(shù)控加工系統(tǒng)，能夠有效提高數(shù)控加工的自動(dòng)化水平和智能化水平，保證數(shù)控加工效率和質(zhì)量，這對(duì)于數(shù)控加工領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究與應(yīng)用，確保其能夠在數(shù)控加工生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐黨鋒，宋亞杰，王春光，等.基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2020（21）：67-69.

[2]郭麗峰，趙曉飛，郭建璞，等.基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)研發(fā)[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（4）：45-49.

[3]韓鴻鸞.工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工的集成[J].金屬加工（冷加工），2016（4）：4-7.

[4]周名偵，張少明，蔣祖星.工業(yè)機(jī)器人控制的機(jī)加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018（3）：76-78.

[5]鄭東梅，王慶喜，延安.工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].粘接，2019（11）：190-192.