地軌機器人機床上下料控制技術(shù)

張秀印

沈陽機床（集團）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110142

1 序言

地軌機器人機床上下料系統(tǒng)包括上下料機器人、機械手和桁架裝置等，可自動完成上料、下料任務(wù)，同時可以完成加工件的準(zhǔn)確定位、測量及檢測等復(fù)雜工序，提高效率，降低風(fēng)險，有效提高了集成度。

地軌作為機器人的一個行走輔助機構(gòu)，也快速發(fā)展起來，在一些空間復(fù)雜、工件尺寸大的場合應(yīng)用廣泛，可以作為機器人的第七軸，也可以由PLC驅(qū)動伺服電動機控制[1-3]。現(xiàn)以一條主軸生產(chǎn)線為例，分別介紹地軌機器人機床上下料控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制流程。

2 地軌控制

地軌主要是配合機器人完成生產(chǎn)線上各機床的上下料，采用直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機構(gòu)，動力驅(qū)動依托伺服電動機、減速器和齒輪齒條來完成，地軌控制部分如圖1所示，包括地軌PLC、觸摸屏、驅(qū)動器、電動機、料架和機器人控制柜，與主控PLC實時通信，進行數(shù)據(jù)交互。

圖1 地軌控制示意

設(shè)備啟停屏操作畫面如圖2所示，可完成設(shè)備啟停、模式切換及伺服設(shè)置等功能。位置代碼顯示主控要求調(diào)度的位置，包括料位位置和機床位置；物料代碼顯示當(dāng)前工件型號代碼；圓形指示燈顯示當(dāng)前位置上有無物料狀態(tài)。

圖2 設(shè)備啟停屏操作畫面

伺服操作畫面如圖3所示，可以開啟、關(guān)閉伺服，完成電動機正反轉(zhuǎn)操作和原點回歸操作；同時可以在位置輸入框輸入目標(biāo)位置，按下“絕對位置”按鈕，地軌電動機旋轉(zhuǎn)，帶著機器人向目標(biāo)位置移動；“立即停止”按鈕可以停止電動機旋轉(zhuǎn)指令；“當(dāng)前位置”實時標(biāo)識地軌機器人位置。

圖3 伺服操作畫面

料臺操作畫面如圖4所示，在手動方式下點擊相應(yīng)的按鈕可控制相應(yīng)部件動作，動作到位后圓形指示燈呈現(xiàn)綠色狀態(tài)。整線各活動單元都安裝有按鈕盒，在系統(tǒng)手動模式下可控制各部件動作。

圖4 料臺操作畫面

通過西門子博途工具軟件對工藝對象地軌驅(qū)動進行組態(tài)與參數(shù)設(shè)置[4]。驅(qū)動器基本參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示，分別設(shè)置硬件接口、驅(qū)動裝置的使能和反饋、電動機每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、每轉(zhuǎn)負(fù)載位移及旋轉(zhuǎn)方向、硬和軟限位開關(guān)等數(shù)據(jù)。

圖5 驅(qū)動器基本參數(shù)設(shè)置界面

PLC分別控制地軌電動機、料架，同時與觸摸屏、機器人控制柜通信，地軌使能控制和絕對位置控制部分如圖6所示。PLC與機器人采用串口方式通信，相互發(fā)送接收數(shù)據(jù)，并實時進行處理。PLC接收來自機器人數(shù)據(jù)的指令及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序如圖7所示。

圖6 地軌使能控制和絕對位置控制程序

圖7 接收機器人數(shù)據(jù)及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序

3 機器人控制

機器人主要由本體、控制柜、示教器及連接電纜組成，擴展氣動夾爪，與地軌PLC串行通信，其控制如圖8所示。

圖8 機器人控制示意

機器人采用六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人，通過示教再現(xiàn)方式，按照預(yù)先設(shè)定的程序，自主完成規(guī)定動作與操作。工業(yè)機器人的運動方式主要包括點位控制、連續(xù)軌跡控制、力（力矩）控制和智能控制方式。擴展Device Net總線I/O模塊，用于控制氣動夾爪動作，與地軌PLC采用RS-232接口進行通信，工業(yè)機器人串口通信程序如下。

串行數(shù)據(jù)通信是以二進制的位（bit）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳送1位。串行通信最少只需要兩根線就可以連接多臺設(shè)備，組成控制網(wǎng)絡(luò)，可用于距離較遠(yuǎn)的場合。

在串行通信中，接收方和發(fā)送方應(yīng)使用相同的傳輸速率，但是實際的發(fā)送速率與接收速率之間總會有一些微小的差異。在連續(xù)傳送大量的信息時，會因為積累誤差造成數(shù)據(jù)錯位，使接收方收到錯誤的信息。為了解決這一問題，采用異步通信，即字符同步方式，其字符信息格式如圖9所示，發(fā)送的字符由1個起始位、7個或8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位（可以沒有）以及1個或2個停止位組成。

圖9 異步通信的字符信息格式

奇偶校驗用來檢測接收到的數(shù)據(jù)是否出錯。如果指定的是偶校驗，發(fā)送方發(fā)送的每一個字符的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位中的“1”的個數(shù)為偶數(shù)：如果數(shù)據(jù)位包含偶數(shù)個“1”，奇偶校驗位將為0；如果數(shù)據(jù)位包含奇數(shù)個“1”，奇偶校驗位將為1。也可以設(shè)置為無奇偶校驗。

在串行通信中，傳輸速率（又稱波特率）的單位為bit/s，即每秒傳送的二進制位數(shù)。地軌PLC與機器人采用全雙工通信方式，通信的雙方都能在同一時間接收和發(fā)送信息，信號線連接如圖10所示。

圖10 信號線連接

4 機床控制

機床控制過程中主要考慮以下安全互鎖要求。

1）機器人夾爪在機床內(nèi)，機床不能觸發(fā)關(guān)防護門動作，不能進行加工等相關(guān)動作。

2）機器人夾爪進入機床前，機床防護門應(yīng)處于打開狀態(tài)。

3）機器人送料過程中，物料未到達(dá)指定位置，機床不能觸發(fā)夾緊裝置夾緊動作，不能觸發(fā)頂緊裝置頂緊動作。

4）機器人取料過程中，機器人夾爪未夾緊物料，機床不能觸發(fā)夾緊裝置松開動作，不能觸發(fā)頂緊裝置退回動作。

5）機器人在機床取料、放料過程中，機床不能觸發(fā)冷卻液開啟動作指令。

自動線內(nèi)多臺數(shù)控機床的加工工序、工件夾持方式各不相同，但防護門與夾具都是標(biāo)配，均配有到位檢測信號。尾臺作為選項，用來輔助夾持軸類等長工件。接口信號見表1，機床上下料控制指令見表2。

表1 自動線機床通信接口信號

表2 自動線機床上下料控制指令

5 主控

主控PLC系統(tǒng)主要執(zhí)行物流調(diào)度控制系統(tǒng)下達(dá)的控制指令，進而驅(qū)動控制加工機床的PLC以及機器人，實現(xiàn)控制機床開門、關(guān)門、夾具夾緊、松開和機器人上料、下料等操作。

物流調(diào)度與控制層由工控機I P C 安裝基于WINCC的物流調(diào)度與控制系統(tǒng)，與主控PLC集成，實現(xiàn)生產(chǎn)線物料的自動調(diào)度、異常處理、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控以及自動/手動方式切換等操作。

工控機與機床數(shù)控系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)連接，采用OPC UA通信協(xié)議；主控PLC與地軌PLC通過PROFINET現(xiàn)場總線連接，使用S7通信協(xié)議，拓?fù)淙鐖D11所示。主控PLC主程序流程如圖12所示。

圖11 主控拓?fù)?/p>

圖12 主控PLC主程序流程

工件任務(wù)調(diào)度方式包括自動和手動，其中全自動傳輸方式為：由WINCC和主控PLC調(diào)度協(xié)調(diào)，操作人員只需負(fù)責(zé)從上料站上料，從下料站下料，其他中間過程由WINCC和主控PLC控制完成；半自動傳輸方式為：通過WINCC操作界面設(shè)置物流系統(tǒng)起點和終點位置，確認(rèn)后執(zhí)行一次傳輸動作，包括與機床、機器人、料架的交互動作；手動傳輸方式為：通過手動操作面板人工操作實現(xiàn)傳輸動作及與機床、機器人、料架的交互動作。

主控PLC機床上料動作時序如圖13所示，功能狀態(tài)見表3。

表3 主控PLC功能狀態(tài)

圖13 主控PLC機床上料動作時序

由于各個機床的加工時間不盡相同，因此各個機床進行加工的優(yōu)先級會較大程度地影響生產(chǎn)線工作效率。對于加工時間長的機床來說，在同樣的時間內(nèi)能夠加工的工件數(shù)量少于其他機床，因此優(yōu)先考慮加工時間長的機床是否有需求，以保證其能夠不間斷工作，從而提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

金屬切削機床上下料機器換人已經(jīng)成為一種趨勢，通過機器人與數(shù)控機床組合形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的主動化和無人化，可以進一步提高生產(chǎn)率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造體系，適應(yīng)當(dāng)代數(shù)控機械行業(yè)的數(shù)字化、智能化生產(chǎn)要求。