基于 ＡＢＢ工業(yè)機器人上下料的 ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心改造關(guān)鍵技術(shù)
2018-7-23 來源：湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電與汽車工程學(xué)院 作者：阮廣東 呂新明 何彥虎
摘要：在大批量數(shù)控銑削加工機械零部件過程中，由于切削液的揮發(fā)導(dǎo)致工廠作業(yè)環(huán)境極其惡劣．為改善這種情況，提出采用 ＡＢＢ 工業(yè)機器人對數(shù)控機床上下料改造的方案．通過增加空氣開關(guān)、西門子１２００ＰＬＣ、ＦＸ－５０Ｆ 分線器、繼電器模組、接線端子排、機器人手抓氣路、機床氣路等硬件和一系列軟件設(shè)計如工業(yè)機器人程序設(shè)計、數(shù)控機床 ＰＭＣ 梯形圖設(shè)計、ＰＬＣ１２００程序設(shè)計、數(shù)控機床加工程序設(shè)計等，實現(xiàn)了改造方案．改造后，機床能夠順利實現(xiàn)和機器人的通信，從而實現(xiàn)了工業(yè)機器人取代人進行上下料。
關(guān)鍵詞：ＡＢＢ工業(yè)機器人；數(shù)控加工中心；ＰＬＣ１２００；電氣設(shè)計；氣路設(shè)計；程序設(shè)計
數(shù)控機床作為機加工的一種核心設(shè)備，在機械零部件切削加工中發(fā)揮著重要的作用．長期以來，數(shù)控機床僅是作為獨立的裸機投入到生產(chǎn)中．隨著智能制造時代的到來以及工業(yè)自動化程度的提高，數(shù)控機床已不再是單一獨立的加工設(shè)備，而是作為智能制造系統(tǒng)的一個核心環(huán)節(jié)和節(jié)點，和其它輔助設(shè)備如工業(yè)機器人、ＰＬＣ 聯(lián)網(wǎng)通信共同完成零部件的生產(chǎn)加工，從而實現(xiàn)零部件加工的無人化．工業(yè)機器人作為一種重要自動化設(shè)備，是智能制造系統(tǒng)中的另一個重要環(huán)節(jié)．在機械制造領(lǐng)域，工業(yè)機器人可用來完成沖壓、壓鑄、鍛造、機床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴涂、裝配等作業(yè)中的輔助動作，如上下料等按預(yù)定軌跡運動的動作，從而可代替人完成重復(fù)、繁瑣、危險、勞動強度大、精度要求高的動作．在數(shù)控加工領(lǐng)域，利用工業(yè)機器人取代人進行上下料可實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下 的高效率大批量生產(chǎn)、長時間作業(yè)，并能顯著降低制造成本．基于工業(yè)機器人的以上優(yōu)點，許多機加工密集的企業(yè)已完全或部分實現(xiàn)工業(yè)機器人與數(shù)控機床協(xié)同作業(yè)，許多大中專院校也相繼建立了利用工業(yè)機器人對數(shù)控機床上下料的實訓(xùn)裝置。
本文針對某工件，對 某ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心進行基于 ＡＢＢ 工業(yè)機器人上下料功能的改造。
１ 、系統(tǒng)總體方案設(shè)計
利用 ＡＢＢ工業(yè)機器人對 ＦＵＮＵＣ 數(shù)控加工中心進行上下料的改造中，ＡＢＢ機器人直接和控制第六軸末端平行氣動手抓的電磁閥進行通信，包括發(fā)出信號控制其動作及檢測夾具的狀態(tài)．上下料機器人通過 ＰＬＣ 接收數(shù)控機床發(fā)送的信號，通信內(nèi)容包括數(shù)控機床將門狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、卡盤狀態(tài)、加工狀態(tài)等信息告知機器人，機器人進行上下料．?dāng)?shù)控機床通過同一臺 ＰＬＣ接收機器人發(fā)送的信號。
信號內(nèi)容包括機器人上料完成回至準(zhǔn)備位置發(fā)送使數(shù)控機床開始加工的信號、機器人取料完成使機床運動至準(zhǔn)備狀態(tài)位置的信號、機器人放料完成發(fā)送使卡盤夾緊的信號、機床加工完成機器人夾緊工件發(fā)送使卡盤松開的信號．?dāng)?shù)控機床內(nèi)置 ＰＭＣ 用來控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開關(guān)電磁閥、主軸吹氣電磁閥．表定義了數(shù)控加工中心與工業(yè)機器人的聯(lián)絡(luò)信號，圖１給出了二者的聯(lián)絡(luò)流程圖，圖２為改造后的上下料機器人與數(shù)控機床實物布置圖。
２ 、系統(tǒng)硬件改造
２．１ 機械改造
ＦＵＮＵＣ數(shù)控 中 心 在 原 有 基 礎(chǔ) 上 作 了 如 下 改造：增加了一扇安全門，由氣缸控制其開關(guān)，開關(guān)狀態(tài)由行程開關(guān)反饋給機器人；夾具改造為氣動卡盤，卡盤的開關(guān)由磁性開關(guān)反饋給機器人；在主軸末端增加了一個吹氣裝置；工業(yè)機器人第六軸末端增加了一平行氣動手抓。
表１ 數(shù)控加工中心與工業(yè)機器人聯(lián)絡(luò)信號定義
圖１ 工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心聯(lián)絡(luò)流程圖
２．２ 氣路設(shè)計
在整個改造系統(tǒng)中，共有４個氣路，其中３個末端執(zhí)行機構(gòu)為氣缸，一個末端為吹氣裝置．圖３為３個氣缸的控制回路。
圖２ 改造后 ＡＢＢ工業(yè)機器人與 ＦＵＮＵＣ數(shù)控機床實物布置圖
圖３ 氣缸控制回路
２．３ 電氣設(shè)計
改造系統(tǒng)中負(fù)責(zé)工業(yè)機器人通信的為 ＡＢＢ 標(biāo)準(zhǔn)Ｉ／Ｏ 板 ＤＳＱＣ６５２，該板共有１６個數(shù)字輸入信號和１６個數(shù)字輸出信號，其中 Ｘ１、Ｘ２為數(shù)字輸出接口，Ｘ３、Ｘ４為數(shù) 字輸入接 口．?dāng)?shù) 字 輸 出 接 口 中 有 ２個引腳用來接電磁閥，驅(qū)動機器人氣缸動作，其它輸入與輸出接口分別用來和 ＰＬＣ進行通信，實現(xiàn)工業(yè)機器人和數(shù)控機床的協(xié)同動作．在數(shù)控機床與工業(yè)機器人之間增加 ＰＬＣ，一方面可以實現(xiàn)工業(yè)機器人和其它設(shè)備如 ＡＧＶ 的無線通信，另一方面可以進行組網(wǎng)，實現(xiàn)多臺數(shù)控機床及機器人的信息共享．圖４為連接ＰＬＣ與ＰＭＣ的ＦＸ－５０Ｆ分線器．?dāng)?shù)控系統(tǒng)和 ＰＭＣ相聯(lián)系，通過程序中的 Ｍ 代碼執(zhí)行使 ＰＭＣ輸出信號控制機床上電磁鐵的動作
．圖５為工業(yè)機器人、ＰＬＣ、ＰＭＣ三者之間的通信示意圖 。
圖４ 數(shù)控機床上的 ＦＸ－５０分線器
圖５ 改造系統(tǒng)通信示意圖
３ 、系統(tǒng)程序設(shè)計
工業(yè)機器人和數(shù)控機床作為主要執(zhí)行機構(gòu)在運行中需要各自的程序進行驅(qū)動．工業(yè)機器人和數(shù)控機床之間通過 ＰＬＣ 進行通信，需要編寫通信程序，數(shù)控機床通過 ＰＭＣ程序驅(qū)動附加在機床上的電磁鐵動作。
３．１ 工業(yè)機器人程序設(shè)計
工業(yè)機器人動作包括各關(guān)節(jié)的運動及末端平行手抓的開合，這些動作通過運行在工業(yè)機器人上的ＲＡＰＩＤ 程序驅(qū)動．程序設(shè)計中首先要通過示教定義機器人運動的各個關(guān)鍵點，包括接貨臺位置點、上下料中轉(zhuǎn)點、數(shù)控機床夾具附近取放料點．其中，接貨臺位置點及數(shù)控機床取放料點又包括目標(biāo)點及相應(yīng)準(zhǔn)備點等．關(guān)鍵點確定之后，根據(jù)輸入輸出信號編制機器人上下料流程圖（如圖６所示）．根據(jù)流程圖、關(guān)鍵點，編制工業(yè)機器人運動程序。
圖６ 工業(yè)機器人上下料流程圖
３．２ ＰＬＣ梯形圖設(shè)計
在 數(shù) 控 機 床 與 工 業(yè) 機 器 人 之 間 增 加 的ＰＬＣ１２００主要負(fù)責(zé)二者之間的通信工作，即信號在二者之間進行發(fā)送和接收，二者之間都要編寫接收和發(fā)送程序
．上下料機器人接收機床信號的子程序如圖７所示．
圖７ 工業(yè)機器人接收機床信號程序
３．３ ＰＭＣ梯形圖設(shè)計
ＰＭＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）即數(shù)控機床內(nèi)置式 ＰＬＣ 控制技術(shù)．在數(shù)控機床中 ＣＮＣ是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心裝置，機床為最終執(zhí)行機構(gòu)，ＰＭＣ是 ＣＮＣ與機床之間信息交換的平臺，ＣＮＣ 到ＰＭＣ的地址為 Ｆ，反之為 Ｇ；ＰＭＣ 到機床的輸入信號為 Ｙ，反之為 Ｘ。
本文所進行的機床改造開發(fā)了如下輔助代碼 Ｍ：安全門開關(guān)代碼、夾具松開夾緊代碼、主軸吹氣打開關(guān)閉代碼、機床準(zhǔn)備代碼、開始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼．表２為開發(fā)的 Ｍ 代碼．ＰＭＣ 程序中，機床首先對 Ｍ 代碼進行譯碼，譯碼后的地址接通內(nèi)部繼電器 Ｙ，由內(nèi)部繼電器 驅(qū)動外部繼電器。
表２ ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心 Ｍ 代碼說明表
圖 ８ 為 卡 盤 夾 具 開 關(guān)ＰＭＣ程序圖，夾具開代碼為 Ｍ１７，關(guān)代碼為 Ｍ１８，輸出內(nèi)部繼電器分別為 Ｙ００２１．０、Ｙ００２１．１。
圖８ 數(shù)控機床夾具開關(guān) ＰＭＣ程序圖
３．４ 數(shù)控加工程序設(shè)計
根據(jù)開發(fā)的 Ｍ 代碼，結(jié)合零件圖紙信息，編制工件加工主程序及子程序．其中，主程序需要手動輸入，子程序可采用 手 動編程，也 可 采用軟件 進行編程．編制的數(shù)控機床加工主程序程序號為 Ｏ０００１，調(diào)用的子程序號為 Ｏ０００２．主程序如下：
４ 、結(jié)束語
本文運用 ＡＢＢ工業(yè)機器人對數(shù)控加工中心上下料做了以下技術(shù)改造：
（１）在工業(yè)機器人第六軸末端增加了一平行氣動手抓；在數(shù)控加工中心上增加了一扇安全門，一臺氣動夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置．增加的裝置全部由氣路進行控制。
（２）為便于系統(tǒng)的升級、組網(wǎng)，在工業(yè)機器人與數(shù)控機床之間增加了一臺西門子 ＰＬＣ１２００，從而實現(xiàn)了工業(yè)機器人和數(shù)控加工中心的通信，并可和其它設(shè)備如數(shù)控機床、ＰＬＣ及上位機進行通信。
（３）系統(tǒng)啟動后，二者按各自的程序自動運行，通過信號傳輸實現(xiàn)數(shù)控機床和工業(yè)機器人 協(xié)同動作．根據(jù)工作過程編寫了工業(yè)機器人的運行程序、數(shù)控機 床 主 程 序
、ＰＬＣ１２００ 通 信 程 序 及 數(shù) 控 機 床ＰＭＣ程序，從而實現(xiàn)了工業(yè)機器人的上下料。
實踐證明，改造后的數(shù)控加工中心能成功運用機器人進行上下料，從而可取代人完成惡劣工況下的作業(yè)。
在未來的智能工廠及無人工廠，該改造技術(shù)亦可推廣運用到到其它設(shè)備的升級換代。
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