基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

陳文科，周睿舜

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000）

數(shù)控加工是現(xiàn)代制造業(yè)關(guān)鍵的一種工藝方法，能夠解決零件品種多變、批量小、形狀復(fù)雜、精度高等問(wèn)題，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、高鐵、航空航天等領(lǐng)域。在數(shù)控加工過(guò)程中，工件的上下料通常由人工完成，其工作效率相對(duì)較低，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、智能化要求。此外，人工上下物料的過(guò)程存在一定的安全隱患，不利于安全生產(chǎn)。基于此，設(shè)計(jì)智能化的數(shù)控加工產(chǎn)線具有重要意義。

近年來(lái)，隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中完成搬運(yùn)、碼垛、分揀等工作，一定程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控加工產(chǎn)線中，替換人工完成上下料，一定程度上能夠提高數(shù)控加工產(chǎn)線的智能化程度。本文基于國(guó)產(chǎn)埃夫特工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了數(shù)控加工智能化產(chǎn)線，結(jié)合西門(mén)子PLC 構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制總線，通過(guò)PLC 控制工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了物料的智能化調(diào)度，一定程度上提高了數(shù)控加工產(chǎn)線的智能化程度。該產(chǎn)線采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有安裝、拆卸靈活，既可以用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)，有效解決了教學(xué)項(xiàng)目滯后于生產(chǎn)實(shí)際的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工智能化產(chǎn)線采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該產(chǎn)線包括定節(jié)距上料單元、帶地軌的工業(yè)機(jī)器人單元、數(shù)控加工單元、PLC 總控單元以及下料單元。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在該系統(tǒng)中，總控單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)總體調(diào)度，包括工業(yè)機(jī)器人上下料指令的下達(dá)，上下料單元運(yùn)行節(jié)拍的控制等。定節(jié)距上料單元采用PLC 為控制核心，根據(jù)總控單元要求進(jìn)行物料的定節(jié)距傳送。帶地軌的工業(yè)機(jī)器人單元主要功能是根據(jù)命令將待加工物料運(yùn)送至數(shù)控加工單元，并將加工完畢產(chǎn)品運(yùn)送至下料單元。數(shù)控加工單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)進(jìn)行物料的數(shù)控加工，并及時(shí)發(fā)送上下料請(qǐng)求信號(hào)。下料單元負(fù)責(zé)將加工完畢的產(chǎn)品運(yùn)送至下一道包裝工序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 PLC 總控單元

PLC 總控單元為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)產(chǎn)線的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行邏輯均由總控單元編程實(shí)現(xiàn)?？偪貑卧捎肞LC+PROFINET 遠(yuǎn)程模塊的控制結(jié)構(gòu)，PLC 硬件資源主要用于系統(tǒng)啟?？刂?、工業(yè)機(jī)器人地軌伺服驅(qū)動(dòng)控制，PROFINET 遠(yuǎn)程模塊則用于數(shù)控機(jī)床信息交互、定節(jié)距上料單元控制、下料單元控制等?？偪貑卧蠵LC 為西門(mén)子中小系列S7-1200 系列PLC，該系列PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有通信功能和工藝功能，可以采用梯形圖、SCL等編程方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其指令系統(tǒng)豐富，為用戶(hù)提供了許多高級(jí)指令，具有編程簡(jiǎn)單、可靠性和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。PROFINET 遠(yuǎn)程模塊為的南京華太自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的PROFINET 適配器FR8210 及其輸入輸出模塊FR1108、FR2108。PROFINET 適配器FR8210 供電電源為24V DC(18 ～36V)，總線速率可達(dá)100Mbps，傳輸距離可達(dá)100m，適配IO 數(shù)量為32 個(gè)，其輸入輸出均可達(dá)32 個(gè)字節(jié)，具有溫度監(jiān)控和系統(tǒng)電源監(jiān)控功能。FR1108 是8 通道數(shù)字量輸入模塊，輸入信號(hào)類(lèi)型為PNP，輸入邏輯“1”信號(hào)范圍為15~30 V，輸入邏輯“0”信號(hào)范圍為-3 ～3V，具有可配置的去抖動(dòng)時(shí)間，采用光耦隔離，支持模塊溫度異常告警和系統(tǒng)電源監(jiān)控。

■2.2 定節(jié)距上料單元

定節(jié)距上料單元采用鏈條傳送結(jié)構(gòu)，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中采用的變頻器為三菱FR-D700S 變頻器，其電氣原理圖如圖2 所示。FR-D700 系列變頻調(diào)是一種緊湊型多功能變頻器，其功率范圍為0.4~7.5KW，采用長(zhǎng)壽命元器件，內(nèi)置Modbus-RTU 協(xié)議和制動(dòng)晶體管，帶安全停止功能。圖中，繼電器KA1 和KA2 均由遠(yuǎn)程模塊進(jìn)行控制，當(dāng)KA1 得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)朝正方向運(yùn)行，用于正常生產(chǎn)；當(dāng)KA2 得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)朝反方向運(yùn)行，用于系統(tǒng)維護(hù)和調(diào)試。

圖2 變頻控制電路

■2.3 帶地軌的工業(yè)機(jī)器人單元

工業(yè)機(jī)器人采用埃夫特智能裝備有限公司生產(chǎn)的ER50A-C10 型，其額定功率為5 KW，最大負(fù)載為50 KG，采用KEBA 機(jī)器人系統(tǒng)，具有編程簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便的優(yōu)點(diǎn)。為擴(kuò)展工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，采用PLC 控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人地軌。工業(yè)機(jī)器人地軌控制系統(tǒng)中采用的PLC 為西門(mén)子S7-1200，伺服系統(tǒng)為三菱伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JE-40A 及對(duì)應(yīng)伺服電機(jī)，電氣圖紙如圖3 所示。為了實(shí)現(xiàn)地軌的精確定位，采用了全閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了地軌的原點(diǎn)位置檢測(cè)、左極限位置檢測(cè)、右極限位置檢測(cè)等，確保了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行安全。工業(yè)機(jī)器人和PLC 之間采用最直接的IO 連接進(jìn)行通信，工業(yè)機(jī)器人和PLC 之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息的雙向傳遞。

圖3 地軌伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

■2.4 數(shù)控加工單元

數(shù)控加工單元為SIEMENS 828D 數(shù)控銑床。SIEMENS 828D 是西門(mén)子公司最新推出的一款基于面板的緊湊型數(shù)控系統(tǒng)，配置了TFT 彩色顯示器和先進(jìn)的QWERT 全尺寸CNC 鍵盤(pán)，具有來(lái)回有更好的操作性能以及操作體驗(yàn)。數(shù)控加工單元與總控單元PROFINET 遠(yuǎn)程模塊相連，具體電路如圖4 所示。PROFINET 遠(yuǎn)程模塊與數(shù)控加工單元之間的信息交互主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床夾具、前門(mén)、后門(mén)等裝置的控制，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床上下料的前置條件控制。當(dāng)機(jī)床發(fā)出上料請(qǐng)求后，需要控制打開(kāi)其前門(mén)；當(dāng)機(jī)床發(fā)出下料請(qǐng)求后，需要控制打開(kāi)其后門(mén)。

圖4 數(shù)控接口電路圖

■2.5 下料單元

下料單元采用傳送帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳送帶正反轉(zhuǎn)，其主電路如圖5 所示。其工作原理是通過(guò)繼電器互鎖方式實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)，當(dāng)繼電器K1 接通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)繼電器K2 接通時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。正常工作時(shí)，傳送帶運(yùn)行方向?yàn)檎较?，?dāng)系統(tǒng)處于調(diào)試或維修狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行反方向控制。

圖5 下料單元控制電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

■3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

SIEMENS S7-1200 PLC 程序設(shè)計(jì)采用博圖軟件，該軟件可對(duì)西門(mén)子全集成自動(dòng)化中所涉及的所有自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400 控制器、同時(shí)也支持基于PC 的SIMATIC WinAC自動(dòng)化系統(tǒng)。在進(jìn)行PLC 程序設(shè)計(jì)前，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6 所示。為了進(jìn)行正常通信，需要確保各個(gè)PROFINET 模塊處于同一網(wǎng)段，本項(xiàng)目中 將 總 控PLC 的IP 地址設(shè)置為192.168.0.1，定節(jié)距上料單元IP 地址設(shè)置為192.168.0.2，下料單元IP 地址設(shè)置為192.168.0.3， 數(shù) 控單元IP 地址設(shè)置為192.168.0.4。

圖6 PLC 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了提高程序的可讀性和調(diào)試的便捷性，采用了模塊化設(shè)計(jì)程序。根據(jù)系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)流程控制、地軌伺服控制、定節(jié)距上料單元控制、下料單元控制、數(shù)控機(jī)床控制，程序調(diào)用如圖7所示。系統(tǒng)流程控制主要根據(jù)初始化條件，完成系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度；地軌伺服控制程序塊主要實(shí)現(xiàn)地軌點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行、絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)、回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人PLC 通信等功能；定節(jié)距上料單元控制程序塊主要實(shí)現(xiàn)待加工物料的運(yùn)輸，根據(jù)系統(tǒng)流程要求，實(shí)時(shí)將物料運(yùn)輸至上料抓取工位，以供工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抓??；下料單元控制程序塊主要根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度要求，及時(shí)將加工完畢后的物料傳送至下一道工序，保證物料沒(méi)有滯留；數(shù)控機(jī)床控制程序塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床上下料信號(hào)發(fā)送、上下料動(dòng)作運(yùn)行控制、工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控配合協(xié)調(diào)功能。

圖7 PLC 主程序

■3.2 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

埃夫特ER50A-C10 型工業(yè)機(jī)器人采用KEBA 系統(tǒng)，采用面向機(jī)器人操作用戶(hù)點(diǎn)的編程語(yǔ)言KAIRO 語(yǔ)言，主要包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令、時(shí)間管理指令、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)置指令、流程控制指令、系統(tǒng)功能指令等。根據(jù)產(chǎn)線工藝要求，設(shè)計(jì)了如圖8 所示機(jī)器人程序流程圖。工業(yè)機(jī)器人主程序中設(shè)置一個(gè)死循環(huán)，在收到上料信號(hào)后，開(kāi)始調(diào)用上料程序，完成上料；上料完畢后，繼續(xù)等待下料信號(hào)，當(dāng)收到下料信號(hào)后，開(kāi)始調(diào)用下料程序，完成下料；下料完畢后，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行至初始位置，等待數(shù)控機(jī)床上料信號(hào)的到來(lái)，如此反復(fù)。該控制方式是基于一臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床配置一臺(tái)上下料工業(yè)機(jī)器人的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其設(shè)備利用效率相對(duì)不高。后期在產(chǎn)線進(jìn)行改造升級(jí)時(shí)，可以考慮通過(guò)一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人配合多臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床工作，通過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行節(jié)拍，進(jìn)而最大限度提高設(shè)備利用率。

圖8 工業(yè)機(jī)器人程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

在產(chǎn)教融合背景下，生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備不能僅僅只應(yīng)用于教學(xué)中，應(yīng)該能夠用于實(shí)際生產(chǎn)?；诠I(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工智能產(chǎn)線采用模塊化設(shè)計(jì)理念，直接對(duì)接企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目。當(dāng)設(shè)備閑時(shí)，可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行安裝、調(diào)試、系統(tǒng)集成等課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，極大提高了產(chǎn)線的使用效率，提高了其共享性。該產(chǎn)線集PLC 控制技術(shù)、PROFINET 通信技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)于一體，具有一定的先進(jìn)性，能為企業(yè)設(shè)計(jì)智能制造體系提供一定的參考，具有較強(qiáng)的借鑒意義。