基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2021-6-1 來(lái)源：天津職業(yè)技術(shù)師范 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 作者：龐黨鋒 宋亞杰 王春光 劉彥磊 李傳軍
摘要: 通過研究制造生產(chǎn)線數(shù)控加工單元和上下料系統(tǒng)，并分析數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人工作原理和生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)一種基于 Modbus/TCP 協(xié)議的數(shù)控機(jī)床加工單元控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 S7－1200 PLC 作為主站，通過以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床協(xié)同控制。通過實(shí)際工程驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有通信穩(wěn)定、響應(yīng)速度快和工作效率高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床; 智能制造; Modbus/TCP; 工業(yè)機(jī)器人
0 前言
隨著中國(guó)制造 2025 戰(zhàn)略的提出，提高裝備制造智能化水平已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，加工制造單元是智能制造的主要環(huán)節(jié)，其智能化程度對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要影響。為提高數(shù)控加工的智能化和信息化水平，設(shè)計(jì)基于 Modbus/TCP 協(xié)議的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)，將數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)據(jù)信息采集管控等加工制造設(shè)備集成為智能制造系統(tǒng)。通過工程驗(yàn)證，系統(tǒng)通信穩(wěn)定、工作效率高，該系統(tǒng)在加工制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用對(duì)提高制造企業(yè)的智能制造水平具有重要意義。
1 、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工控制系統(tǒng)采用西門子S7－1200 系列 PLC 作為系統(tǒng)的中央控制器，型號(hào)為CPU1214C，PLC 集成 PＲOFINET 接口用于編程以及設(shè)備間通信，支持開放的以太網(wǎng)協(xié)議與第三方設(shè)備通信，通過工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備通信。
計(jì)算機(jī)用于控制器 S7－1200 PLC 的編程和工業(yè)機(jī)器人的編程調(diào)試，通過工業(yè)交換機(jī)將程序下載到 PLC 和工業(yè)機(jī)器人控制器，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D 2 所示。
圖 1 統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
圖 2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
2 、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)
Modbus / TCP 是運(yùn)行在 TCP / IP 上的 Modbus 報(bào)文傳輸協(xié)議，通過此協(xié)議，控制器相互之間通過網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備進(jìn)行通信。控制器 S7－1200 PLC 與工業(yè)機(jī)器人李群 QKM 間采用 Modbus/TCP 通信協(xié)議，Modb-us / TCP 協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，利用控制器上的 PN 接口與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通信。
2. 1 控制器 PLC Modbus / TCP 協(xié)議
在 S7－1200 PLC 編程軟件 TIA Portal V15 中調(diào)用Modbus / TCP 的 庫(kù) 指 令 “MB _ CLIENT ” 和 “MB _SEＲVEＲ”， “MB _ SEＲVEＲ” 指令作為 Modbus / TCP服務(wù)器通過控制器 S7－1200PLC 的 PＲOFINET 連接通信，使用該指令，無(wú)需其他任何硬件模塊。S7－1200PLC Modbus / TCP 通信程序如圖 3 所示， “MB_SEＲV-EＲ” 指令將處理 Modbus / TCP 客戶端的連接請(qǐng)求、接收 Modbus 功能的請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng); 通過 “MB_CLIENT” 指令，在客戶端和服務(wù)器之間建立連接、發(fā)送請(qǐng)求、接收響應(yīng)并控制Modbus//TCP 服務(wù)器連接終端。
圖 3 S7－1200 PLC Modbus/TCP 通信程序
2. 2 控制器 PLC 與機(jī)器人通信
S7－1200 PLC 為系統(tǒng)的主控制器，用來(lái)接收上位機(jī)控制信息并進(jìn)行分析，然后將控制指令發(fā)送給執(zhí)行設(shè)備。控制器 S7－1200 PLC 與數(shù)控機(jī)床的通信通過硬件 I/O 方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床上下料數(shù)據(jù)交互。為提高信號(hào)抗干擾能力，在 PLC 信號(hào)輸出端增加光電隔離模塊。機(jī)器人與 PLC 數(shù)據(jù)交互的主要地址分配如表 1所示。
表 1 機(jī)器人與 PLC 數(shù)據(jù)交互主要地址分配
機(jī)器人與控制器 PLC 交互的目的主要是接收PLC 發(fā)來(lái)的動(dòng)作控制命令，執(zhí)行相應(yīng)示教動(dòng)作任務(wù)，并將自身運(yùn)行狀態(tài)信息返回至 PLC，保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，控制流程如圖 4 所示。
圖 4 系統(tǒng)控制流程
工業(yè)機(jī)器人反饋給主控制器 PLC 的信息主要包括對(duì)各指令的響應(yīng)和系統(tǒng)狀態(tài)信息的反饋，同時(shí)還包括機(jī)器人自身的運(yùn)行狀態(tài)，如空間坐標(biāo)、工作模式等信息。
2. 3 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床通信
采用李群自動(dòng)化六軸工業(yè)機(jī)器人，型號(hào)為 QKMHL6; 數(shù)控機(jī)床安全門、夾具和加工狀態(tài)以布爾量存放在指定寄存器中，機(jī)器人從 Modbus 設(shè)備上讀取多個(gè)寄存器的值; 通過判斷不同寄存器的布爾量，完成設(shè)定 的 動(dòng) 作 軌 跡; 數(shù) 控 機(jī) 床 端 IP 地址配置為192. 168. 0. 101，機(jī)器人端數(shù)據(jù)通信程序如下。
3 、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃
為了提高自動(dòng)上下料工業(yè)機(jī)器人的工作效率和精度，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑和末端位置姿態(tài)，通過調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡平滑參數(shù)，在兩條直線路徑中規(guī)劃一段過渡路徑。由于機(jī)器人在數(shù)控車床上下料中的運(yùn)動(dòng)主要是直線路徑，在相鄰的 2 個(gè)路徑上確定出過渡點(diǎn)，采用線性軌跡圓弧過渡。直線路徑采用圓弧過渡算法簡(jiǎn)單且通過編程易于實(shí)現(xiàn)，該指令必須在兩段運(yùn)動(dòng)指令間執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果圖與實(shí)物圖如圖 5 所示。
圖 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖與實(shí)物圖
根據(jù)機(jī)器人放置工件需要，機(jī)器人末端夾具需要垂直到達(dá)起始位置 P1，位置 P1到位置 P2采用直線軌跡如圖 6 所示運(yùn)動(dòng)軌跡，從位置 P1水平運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置 P2垂直 50 cm 處，再垂直運(yùn)動(dòng) 50 cm 到達(dá)目標(biāo)位置，通過設(shè)置機(jī)械下一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離與當(dāng)前運(yùn)動(dòng)距離重疊 50%，機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖 7 所示。
圖 6 直線運(yùn)動(dòng)軌跡
圖 7 圓弧過渡直線軌跡
起始 位置 P1到目標(biāo)位置 P2之間采用機(jī)器人Move. Force Overlap 指令，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離與目標(biāo)距離重疊百分?jǐn)?shù)，程序 Move. Force Overlap ( 0，50)實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)距離重疊 50%。
4 、結(jié)論
數(shù)控加工單元是智能制造的重要組成部分，為了提高制造加工單元的自動(dòng)化程度和工作效率，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工制造控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過協(xié)同控制工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的自動(dòng)上下料工作，通過實(shí)際工程驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可靠性，數(shù)控加工效率和安全性得到了提高。
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