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機器人自動換刀係統控製技術

2024-5-7 來（lái）源：沈陽機床（集團）有限責任公（gōng）司作者：陳晨

【摘要】介紹了一種在鋁合金肋板類臥式加工生產線中的機器人自動換刀係統控製技術。通過（guò）集（jí）中式換刀係統統一管理，將機器人與集中式（shì）換刀係統以及加工中心進行以太網通訊，結合機器人作業範圍大，柔性（xìng）好，自（zì）由度高等特（tè）點，實現機器人與多台鋁合金肋板類五坐標加工中心，機器人與刀具運輸裝置（zhì）之間完成刀具交換，實（shí）現了刀具自動交換運輸等功能。大幅度減少人工誤操作（zuò）的概率，大幅度提高生（shēng）產效率和換刀準確性（xìng），還保證了安全性（xìng）與（yǔ）可靠性。

1.項目（mù）背景

近幾年，我國航空（kōng）工業進入快速發展時期，國家政策扶植（zhí）力度持續加大，釋放出（chū）巨大的市場潛力。目前行業急需大量國（guó）產高檔五軸數控機床機器自動化生產線設備，鋁合金肋板類臥式加工生產線（xiàn）正是在此背景下應（yīng）運而生。

為國內首套麵向（xiàng）航空類鋁合金件高效（xiào）加（jiā）工的（de）柔性自動化（huà）生產線，實現了肋板類零件加工的高速專業化（huà）、自動化和（hé）數字化。該（gāi）生產線已在沈（shěn）陽航空產業集團有限公司成功應（yīng）用（yòng），大幅度提高了航空零件的加工性能及效率，得到了用戶一致認可。

介紹了鋁合金肋板類（lèi）臥式加工生產線中，機器人與集中式刀庫管理係統之間，機器人與鋁合金肋板類五坐標加工中心之間相互通訊，實現自動換（huàn）刀的過程。在加（jiā）工效率、控製精（jīng）穩定性等方麵（miàn）相較於傳統換刀機構均有顯著提升。

2.自動換刀係統硬件結構

鋁合金（jīn）肋板類臥式加（jiā）工生產線自（zì）動換（huàn）刀係統（tǒng）硬件結構包含1台（tái）集中式刀具（jù）管理係統，2台鋁合金（jīn）肋（lèi）板類五坐（zuò）標加工中心，2台刀庫牆， 1台KUKA機器人，1台刀具托盤。實物和布（bù）局圖如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 刀庫（kù）牆結構實物圖

圖2 係統硬件分布示意圖

圖3 機器（qì）人換刀實物圖與機（jī）器人刀爪實物圖（tú）

①與⑧分別為（wéi）2台鋁合金肋板類五坐標加工中心。

②為機器人控製櫃。

③與⑦分別（bié）為2台（tái）刀庫牆。刀庫（kù）牆為壁（bì）掛（guà）刀夾式結（jié）構，分別包含5排，每排8把刀位（wèi），最多可容納40把刀具，每個刀位都有編號。

④為機器人外部軸拉罩防護。

⑤為機器人。

⑥為刀具運輸裝置。裝置包含4排（pái），每排8把刀位，最多（duō）可以容納（nà）24把刀具，每個刀位都有編號。

機器人選用KUKA KR60機器人，增配直（zhí）線外部軸電機，控製機（jī）器人（rén）水平方（fāng）向左右移動，擴大運動空間。外部軸（zhóu）包含有（yǒu）導軌潤滑。在機（jī）器人第六軸終端設計（jì）兩個抓手，可以單次實現主軸卸刀的同時進行主軸（zhóu）裝刀（dāo），提高效率。手爪鬆夾控製采（cǎi）取氣動控製。1台刀具托盤為通過AGV刀具（jù）運輸設備運輸的刀具托盤。

3.自動換刀係統通信鏈路架構

自換刀（dāo）係統通信鏈路如圖 4所示。KUKA機器人與鋁合（hé）金肋板類（lèi）五坐標（biāo）加工中心之間通過倍福模塊EK1100以及CU1123進行聯接。通過EtherCAT總線與2台鋁合金（jīn）肋板類五（wǔ）坐標（biāo）加工中（zhōng）心實現通訊。實時讀取機器人（rén）狀態和（hé）動作信號並與數控係統數據進

行交互。

圖4 係統通信鏈路圖

KUKA機器人與集中式刀庫管理係統通過機（jī）器人（rén）控製櫃上（shàng）的KLI接口建立以太網聯接。KUKA提供Ethernet KRL 軟件包，允許機器人與外部係統（tǒng）進行基於 TCP／IP 的雙向數（shù）據交換，支持可自由配置的 XML 結構，機器人 KRL 指令負（fù）責 XML 結構的數據存儲區保存和讀取。

4.自動換刀（dāo）係統通訊實現

（1）機器人與集中式刀庫管理係統之（zhī）間通訊實現在C:/KRC/ROBOTER/Config/User/Common/EthernetKRL目錄下的ToolMessageStream.xml程序中對通訊進（jìn）行配（pèi）置，建立以太網連接（jiē）。XML 文件的名稱（chēng）同時也是 KRL 的訪問密（mì）鑰。節選主（zhǔ）要（yào）程序如下：

在<CONFIGURATION>中定義外部係統與EKI之間的連接參數。

在< EXTERNAL >中定義（yì）外部係統的設置（zhì），<IP>為外部係統（tǒng）定義為服務器時的IP地址，此處配置集（jí）中式刀（dāo）庫管理係統的IP地址。

在（zài）<PORT>中定義外部係統定義為服（fú）務器（qì）時的端口號，此處配置集中式刀庫管理係（xì）統的服務端口號。在<RECEIVE>中定義機器人控（kòng）製係統接收的接收結構。

在<SEND>中（zhōng）定義機器人控製係統發送的發送結構。此處收發二進（jìn）製數據，在<RAW>中定義原始數據。定義一個名為“ToolMessage”的“STREAM”類型的（de）變量，STREAM為有可變末尾字符串的二（èr）進製數（shù）據組類型（xíng），此處“ToolMessage”變量以“回車符（fú）（13,10）”

結尾。

集中式刀庫（kù）管理係統和機器人（rén）的數據通（tōng）訊是TCP/IP 協議，使用Client/Server架構，編程通過調用Socket接口來進行。Server端運行在機器（qì）人上，通過KRL語言編寫。KRL語言不區分大小寫（xiě）。

在C:/KRC/ROBOTER/Program/EKI目（mù）錄下（xià）的connect_pc.src程序中在初始化（huà）和打開連接。節選主要程序如下：

ret=eki_clear("ToolMessageStream")

ret=eki_init("ToolMessageStream")

ret=eki_open("ToolMessageStream")

在C:/KRC/ROBOTER/Program/EKI目錄（lù）下的pro.src程序中讀取數據。打（dǎ）開ToolMessageStream通道（dào）中名為ToolMessage的字符串（chuàn）變（biàn）量。節選主要（yào）程（chéng）序如下：RET=EKI_GetString("ToolMessageStream","ToolMessage",string[])

在C:/KRC/ROBOTER/Program/EKI目錄下的Func.src程序中解析收到的數據。將收（shōu）到的字符串按照從左到右的順序進行檢索，如果（guǒ）遇到標誌符號“，”則將標誌符號前的字符串轉換為整數類（lèi）型，再存儲到整型變量中待（dài）用。然（rán）後（hòu）從當前位置右移（yí）一位繼續開始檢索，再存儲到（dào）整型變（biàn）量（liàng）中待用。直到檢索到字符串（chuàn）結尾標誌符"13,10"，則停止搜索。節選主要程序如下：

（2）機器人（rén）與鋁合金肋板類五坐標加工中心（xīn）之間通（tōng）訊機器人與加工中心之間通過EtherCAT協議（yì）進行通訊。在WORKVISUAL軟件中對於機器人控製櫃進行網絡（luò）拓撲配置，拓撲結構如圖5所（suǒ）示。

圖5 機器人網絡拓撲結（jié）構圖

對（duì）於機器人與加工中心，主要交（jiāo）互（hù）輸入輸出信號進行分配，詳細如附表所示（shì）。

機器人與加工中心輸入/輸出信號分配表

5.程序設計

（1）集中式（shì）換刀係統向加工（gōng）中心發送加工程（chéng）序或向機器人發送向刀庫牆/刀具托盤上/卸（xiè）刀任務。加（jiā）工中心1換刀請求以及加工（gōng）中心（xīn）2換刀（dāo）請求（qiú）都為FALSE時，機器人才（cái）處理刀具托盤任務。否則優先處理（lǐ）加工中心換（huàn）刀任（rèn）務。主（zhǔ）要控製流程圖如圖6所示。

圖6 主要控製流（liú）程圖

（2）加工中心換刀任務處理：機器人與加工中心之間刀具移位任務包含：加工中心1/2無刀換新刀（dāo）任務，加工中（zhōng）心1/2有刀換新刀任務，加工中心1/2有刀卸舊刀任務。

a) 機器人讀取舊刀號（hào）和（hé）新刀號（hào）。首先比較新舊刀號，當新（xīn）刀號=舊刀號時，機器人不執行任何換刀動作。

b) 當新刀號=0時，即為加工中（zhōng）心1/2有刀卸舊刀任（rèn）務。機器（qì）人無需去刀庫牆（qiáng）抓新刀（dāo），通過PTP/LIN指令運動到加工中心刀庫安全門前安全等（děng）待位，等待加工中心刀庫（kù）安全門開啟刀位檢（jiǎn）測信號就緒，加工中心各軸運（yùn）行到換刀點，主軸定向就緒之（zhī）後，向機器人發送換刀準備就緒信號。機器（qì）人接收到信號之後（hòu），通過PTP/LIN指令運動到加工中心換刀區域內主軸鬆刀等待位（wèi），向加工中心輸出已經就緒（xù），請求加工中心鬆刀信號（hào），等待接收到鬆刀到位檢測信號之後，機器人執行卸（xiè）舊刀動作（zuò）。卸刀動（dòng）作結束之後，機器人通過PTP/LIN指令離開加工（gōng）中心換刀區域，發送換刀動作完成信號, 加工（gōng）中心執行夾刀動作，關閉刀庫安全防護門，更新刀號和刀（dāo）表，繼續（xù）執行加工（gōng）程序。

c) 當新刀號≠0時，即為加（jiā）工中心1/2有刀（dāo）換新刀或加工中心1/2無刀換新刀任務。機器人同過PTP/LIN指令運動到新刀號刀位前安全等（děng）待位，檢測當前刀位是否有刀，如果無刀，輸出給（gěi）加工（gōng）中心信號。機器人回起始（shǐ）位。如果有刀，輸出給加工中心信號，執行抓刀動作。抓刀完成後，通過PTP/LIN指令運動到加工中心刀庫安全門前安全等待位，等待加工中心刀庫（kù）安全門開啟刀位檢測信號就緒，加工中心各軸運行（háng）到換刀點，主軸定向就緒之後，向機器人發送換刀準備就緒信號。機器（qì）人接收到信號之後，通（tōng）過PTP/LIN指令運動到（dào）加工中心換刀區域內主（zhǔ）軸鬆（sōng）刀等待位（wèi），向加工中（zhōng）心輸出已經就緒，請求加工中心鬆刀信號，等待接收到（dào）鬆刀到位檢測信號之後，機器人執（zhí）行卸舊刀動作。卸刀動（dòng）作結束之後，機器人通過PTP/LIN指令運動（dòng）到裝刀安全等待位（wèi）置，執行裝新刀動作，動作完成之後輸出（chū）裝新刀完成（chéng）信號，加工中心執行夾刀動作。機器人通過PTP/LIN指令離開（kāi）加工中心換刀區域，發送換刀動作（zuò）完成信號,加工中心關閉刀庫安（ān）全防（fáng）護門，更新刀號和刀（dāo）表（biǎo），繼續（xù）執行加工程序（xù）。

d) 當舊刀號=0時，無需還刀。機器人回起（qǐ）始（shǐ）位。換刀完成。

e) 當舊刀號≠0時，機器人運行到（dào）舊刀號刀（dāo）位前安全（quán）等待（dài）位，檢（jiǎn）測當前刀位是否有刀，如果（guǒ）有刀，輸（shū）出給加工中心信號，需要人工幹（gàn）預進行卸刀。如果無刀，輸出給（gěi）加工中心信號，執（zhí）行還刀動（dòng）作。動作結（jié）束後回起始位。換刀完（wán）成。

（3）刀具托盤換刀任務處理：機器人與刀具托盤之間刀具移位任務包含：從刀具（jù）托盤向刀庫牆1/2裝刀任務，從（cóng）刀（dāo）庫牆1/2向刀具托盤卸刀任務。

a) 機（jī）器人接收集中式換刀係統發送的刀具移動指令。指令形（xíng）式（shì）為 “A，B，C，回車符”。A代表裝刀動作或卸刀動作。B代表刀庫牆1或刀庫牆2或刀（dāo）具托盤。C為刀位位置號。

b) 當接收到從刀具托（tuō）盤向（xiàng）刀庫牆1/2裝刀任務時（shí），機器人通過PTP/LIN指令運動到刀具托盤對應刀號前安全等（děng）待位，檢測當前刀位（wèi）是否有刀，如果無刀，輸出給集中式換刀係統信號。機器人回（huí）起始（shǐ）位（wèi）。如果有（yǒu）刀，輸出給集中式換刀係統信號，執行（háng）抓刀動（dòng）作。

c) 抓刀動（dòng）作完成（chéng）之（zhī）後，機器人通過PTP/LIN指令運動到刀具識別裝置前識別刀具芯（xīn）片，並向集中式換刀係統輸出識別請（qǐng）求（qiú），集中式（shì）換刀（dāo）係統比較當前識別出的（de）刀具信息，如果信息比較正確，集中式換刀係統發送指令，機器人將當前刀具裝載到目標刀庫牆目標刀位。如果信息比較錯誤，集中式換刀係統發送指令，機器人將當前刀具裝載到刀具托盤原刀位。裝載結束（shù）後機器人回到起始位。換刀動作結束。

d) 當接收到從（cóng）刀庫（kù）牆1/2向刀具托盤（pán）卸刀任務時，機器人（rén）通過PTP/LIN指令運動到刀庫牆1/2對應刀號前安（ān）全等待位，檢測（cè）當前刀位（wèi）是否有刀，如果無刀，輸出給集中式換刀係統信號。機（jī）器人回（huí）起（qǐ）始位。如果有刀，輸（shū）出給集中式換刀係統信號，執行抓刀動作（zuò）。

e) 抓刀動作完成之後，集中式換（huàn）刀係統發送指令（lìng），機器人將當前刀具裝載到刀具托盤對應刀位。換刀動作結束。

6.換刀功能實現：

包含以（yǐ）下程序：

主程序舉（jǔ）例如下：

7.結論

介紹了在鋁合金肋板類臥式加工生產線中，機器人與集（jí）中式刀（dāo）庫管理（lǐ）係統之間，機器人與加工中心之間協調通訊，實現自動換刀的過程。鋁合金肋板類臥式（shì）加（jiā）工生產線是專（zhuān）門針對航空航天領域鋁合（hé）金肋板類零件的加工而研發設計，該生產線在研製過程中充分考慮到我國航空航天領域零部件加工現狀，創新性地將關節機器人技術，AGV智能搬運技術，RFID智能識別技術等進行（háng）集成應用，實現生（shēng）產（chǎn）線的自動化、柔（róu）性化（huà）、智能化。項目的研發彌補了我（wǒ）國在高檔數控設備製造航空航天領域的技術和市場空（kōng）白，滿足了設備製造業智能化需求。應用前（qián）景廣闊。

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