基于工業(yè)機器人的加工中心智能化改造方法研究

劉世國，操文芷，陳鐵友

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著裝備制造業(yè)向自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展，數(shù)控機床已不再是單一獨立的生產(chǎn)加工設(shè)備，需與工業(yè)機器人、檢測和監(jiān)控設(shè)備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字信息技術(shù)等深度融合進行迭代升級，實現(xiàn)零部件的智能化加工，適應(yīng)產(chǎn)品的個性化需求和小批量生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)加工的自動化水平和生產(chǎn)效率，降低工人的技術(shù)要求和人力成本，最重要的是改善產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品附加值[1]。

企業(yè)在智能制造轉(zhuǎn)型升級過程中，為了適應(yīng)產(chǎn)品的個性化需求，滿足多品種、小批量零件加工的生產(chǎn)模式，需對現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)控機床進行智能化升級改造，組成最基本、最核心的智能加工單元，既能滿足智能化生產(chǎn)需要，又可提高設(shè)備利用率、節(jié)省成本[2，3]。因此，提出一種立式加工中心智能化升級改造的方法，通過聯(lián)調(diào)實現(xiàn)零件智能加工的完整過程，克服傳統(tǒng)獨立的數(shù)控機床存在的自動化程度低、連續(xù)操控性弱、勞動強度大等不足。

1 智能加工單元整體布局

為滿足企業(yè)產(chǎn)品自動化、智能化生產(chǎn)加工需求，現(xiàn)對已有的傳統(tǒng)數(shù)控機床進行智能化升級改造，從工件選取、機器人自動上下料、數(shù)字化加工、零件在線檢測、全程監(jiān)控等環(huán)節(jié)實現(xiàn)完整的智能制造過程。待升級改造的FANUC 0iF PLUS 立式加工中心配置了刀庫、自動防護門和夾具，在此基礎(chǔ)上增加FANUC 工業(yè)機器人、料倉、PLC、數(shù)字化在線測頭、觸摸屏等必備的外圍設(shè)備，構(gòu)成最基本、最核心的智能加工單元，所有設(shè)備布局如圖1 所示。

圖1 智能加工單元布局圖

2 智能加工單元硬件連接

改造后的智能加工單元由多種硬、軟件設(shè)備集成在一起，各設(shè)備之間通過網(wǎng)線連接，具體連接關(guān)系如圖2 所示。其中，機器人實現(xiàn)自動上下料，料倉用于存放工件，PLC 和路由器進行信號通訊，數(shù)字化在線測頭自動檢測零件加工尺寸，觸摸屏時時顯示設(shè)備運行狀態(tài)。

圖2 智能加工單元硬件連接

為了能使智能加工單元按照既定工藝流程執(zhí)行，以路由器為數(shù)據(jù)交互中心，建立工業(yè)機器人、加工中心、PLC、料倉、觸摸屏在內(nèi)的通訊網(wǎng)絡(luò)，其交互信號如表1 所示。

表1 智能加工單元交互信號

3 智能加工單元軟件設(shè)計

3.1 觸摸屏畫面開發(fā)

觸摸屏是人機交互的窗口，主要用于顯示工業(yè)機器人、加工中心（包括機床防護門和夾具）、料倉的運行狀態(tài)與報警信息。根據(jù)智能加工單元控制要求設(shè)計觸摸屏畫面（圖3），以數(shù)據(jù)交互中心為樞紐，將觸摸屏中的控制按鈕、狀態(tài)指示燈、數(shù)據(jù)顯示框與PLC 相應(yīng)的變量連接，實現(xiàn)PLC 與觸摸屏的數(shù)據(jù)交換[4]。

圖3 觸摸屏畫面示例

3.2 料倉庫位定義與選擇

料倉共有三層、12 個庫位，適合存放方形和圓柱形工件。從下往上看，依次為A、B、C 三層，每層有4個庫位，從左向右看，依次為1、2、3、4 號，每個庫位后側(cè)安裝傳感器檢測庫位有無工件。

為了更好監(jiān)視料倉庫位的工件信息，觸摸屏上設(shè)計料倉綠色表示庫位有料，灰色表示庫位無料，具體如圖3（b）所示。在執(zhí)行機器人抓取工件時，有手動和自動兩種模式進行庫位選擇。手動模式下，在觸摸屏上手動指定機器人要抓取工件的庫位，若庫位顯示無料，則不可執(zhí)行；自動模式下，機器人按照控制要求依次選擇，自動跳過無料倉位。

3.3 工業(yè)機器人自動上下料流程

工業(yè)機器人位于智能加工單元的中心，料倉和加工中心都在機器人的臂展范圍內(nèi)，通過示教編程實現(xiàn)自動上下料，其流程如圖4 所示。在執(zhí)行一個完整流程時，先判斷料倉庫位是否有工件，若料倉無工件，機器人不執(zhí)行，一直處于等待料倉庫位有工件的信號；若料倉有工件，則根據(jù)抓取工件形狀（方形或圓柱形）選擇相應(yīng)的手爪，方形工件選擇Ⅰ號手爪，圓柱形工件選擇Ⅱ號手爪，然后進入料倉抓取工件，將其送至機床側(cè)安裝在夾具上，待零件加工和檢測結(jié)束后，再將加工后的零件從機床側(cè)取回放至料倉，最后將手爪還回至手爪架。

圖4 機器人自動上下料流程

智能加工單元在自動模式下運行時，機器人會頻繁進出機床，為了避免機器人與機床防護門碰撞，保證自動上下料流程運行穩(wěn)定、安全，通過設(shè)置FANUC機器人防止干涉區(qū)域，開發(fā)二者的安全聯(lián)鎖功能，設(shè)置信號DO115（輸出）和DI126（輸入）。若機器人在機床內(nèi)部，機床防護門關(guān)閉不了，必須等待機器人運行至門外，防護門才能關(guān)閉；若機床防護門已關(guān)閉，機器人運動至門前必須停住，等待防護門打開，只有當防護門打開到位后，機器人繼續(xù)自動運行至機床內(nèi)部。

3.4 FANUC 0iF PLUS 加工中心程序

智能加工單元核心是完成零件加工與尺寸，因此加工中心必須調(diào)用加工程序、執(zhí)行在線檢測環(huán)節(jié)，在機器人自動上下料的輔助下完成整個智能加工流程。對加工中心而言，必須要定義M 代碼配合機器人自動上下料流程，編寫PMC 程序根據(jù)機器人選取的工件類型自動調(diào)用相應(yīng)的零件加工程序。

（1）M 代碼定義，如表2 所示。

表2 機床側(cè)M 代碼

（2）加工程序自動調(diào)用。料倉A 層存放Ⅰ類零件、B 層存放Ⅱ類零件、C 層存放Ⅲ類零件，這三類零件的加工程序各不相同，若要在同一個智能加工流程中實現(xiàn)多品種零件生產(chǎn)加工，需在加工中心上編寫關(guān)于SUB40 指令的PMC 梯形圖，如圖5 所示。當機器人抓取A 層庫位工件時，R600.5 激活，調(diào)用加工程序O0001，加工Ⅰ類零件；當機器人抓取B 層庫位工件時，R600.6 激活，調(diào)用加工程序O0002，加工Ⅱ類零件；當機器人抓取C 層庫位工件時，R600.7 激活，調(diào)用加工程序O0003，加工Ⅲ類零件。

圖5 切換加工程序的梯形圖

4 實驗結(jié)果分析

按照上述智能化改造方法升級而成的智能加工單元，通過聯(lián)機調(diào)試驗證了智能化生產(chǎn)所需功能，并進行實驗對比。在實驗過程中，對照組與實驗組各分配毛坯9 個，其中Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類零件的毛坯各3個，對照組的毛坯放在機床附件的置物架，實驗組的毛坯分別放在料倉的A、B、C 層庫位。對照組采用未經(jīng)改造的單臺機床，分別加工3 種類型零件的毛坯；實驗組則采用改造后的智能加工單元，連續(xù)加工3 種類型零件的毛坯。應(yīng)用改造方法前后的功能指標對比如表3 所示，實驗結(jié)果表明：（1）改造后的智能加工單元自動化程度高，操作人員勞動強度極低，可靠性和生產(chǎn)效率高，平均節(jié)省時間約10%～ 15%；（2）數(shù)字化在線測頭自動檢測零件尺寸，測量精度高，檢測正確率100%；（3）滿足企業(yè)多品種、小批量零件連續(xù)加工需求。

表3 應(yīng)用改造方法前后的功能指標對比

5 結(jié)論

（1）以現(xiàn)有的FANUC 0iF PLUS 立式加工中心為基礎(chǔ)，從硬件連接和軟件設(shè)計兩個環(huán)節(jié)進行智能化升級改造，改造方法充分利用現(xiàn)有設(shè)備、成本低，符合企業(yè)智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型需求的現(xiàn)狀。

（2）改造后的智能加工單元能按照既定流程實現(xiàn)零件智能加工的完整過程，操作人員勞動強度低，重復(fù)操作減少，可靠性和生產(chǎn)效率高，尺寸檢測更精確，能滿足多品種、小批量零件加工需求。

（3）提出的智能化改造方法可實現(xiàn)智能加工單元的機器人自動上下料、數(shù)字化加工、零件在線檢測、全程監(jiān)控等功能要求，能為制造企業(yè)對傳統(tǒng)數(shù)控機床的升級改造提供參考。