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基於ＡＢＢ工業（yè）機器人上下料的ＦＵＮＵＣ數控加工中心改造（zào）關鍵技術

2018-7-23 來源：湖州職業（yè）技術學院機電與汽（qì）車工程學院作者：阮廣東呂新明何彥虎

摘要：在大批量數控銑削加（jiā）工機（jī）械零部（bù）件過程中（zhōng），由於切削（xuē）液的揮發導致工廠作業環境極其惡（è）劣．為改善這種情況，提出采用ＡＢＢ工（gōng）業機器人對數控機床上下料改造的方案．通過增加空氣開關、西門子１２００ＰＬＣ、ＦＸ－５０Ｆ分線器、繼電器模組（zǔ）、接（jiē）線（xiàn）端子排、機器人手抓氣路、機床氣路等硬件和一係列軟件設計（jì）如工業機器（qì）人程序設（shè）計、數控機床ＰＭＣ梯形圖設計、ＰＬＣ１２００程序設計（jì）、數控機床加工程序設（shè）計等，實現了改造方（fāng）案．改造（zào）後（hòu），機（jī）床能夠順利實現和機器人的通信（xìn），從（cóng）而實現了工（gōng）業機器（qì）人取代（dài）人（rén）進行上下（xià）料。

關鍵詞：ＡＢＢ工業機器人；數控加工中心；ＰＬＣ１２００；電氣設計；氣路設（shè）計；程序設計

數控機床作為機加工的一種核心設備，在機械零部件切（qiē）削加工（gōng）中發揮著（zhe）重要的作用．長期以來，數控機床僅是作（zuò）為獨立的裸（luǒ）機投入到生產中．隨著智能製造時代的（de）到來以及工業自動化程（chéng）度的提高，數控機床已不再是單一獨立的加工設備，而是（shì）作為（wéi）智能製造係統的一個核心環節和節點，和其它（tā）輔助設備如工業機器人、ＰＬＣ聯（lián）網通（tōng）信共同完成零部件的生產加工，從而實現零部件加工的無人化．工業機器人（rén）作為一種重要自動化（huà）設（shè）備，是智能製造係（xì）統中的另一個重要環節．在機械製造領域，工業機器人可用來完成衝壓、壓鑄、鍛造、機（jī）床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴塗、裝配等（děng）作業中的輔助動作，如（rú）上下（xià）料等按預定軌跡運動的動作，從而可代替人完成重複、繁瑣、危險、勞（láo）動強度大（dà）、精度要求（qiú）高的動作（zuò）．在數控加工領域，利用工業機器人取代（dài）人進行上（shàng）下料可實現在惡劣環境（jìng）下的高效率大批量生產、長時間作業，並能顯著降低製造成本．基（jī）於工業機器人的（de）以上（shàng）優點，許多機（jī）加工密集（jí）的（de）企業已完全或部分實現工（gōng）業機器人與數控機床協同作業（yè），許多大中專院校也相繼建立了利用工業（yè）機器人對數控機床上下料的實訓裝置。

本文針對某工件，對某ＦＵＮＵＣ數控加工中心進行基於ＡＢＢ工業機（jī）器人上下料功能的改造。

１　、係統總體方案設計

利用ＡＢＢ工業機器人對ＦＵＮＵＣ數控加工中心進行上下料的改造中，ＡＢＢ機器（qì）人直接和控製第六（liù）軸末端平行氣動手抓的電磁閥（fá）進行通（tōng）信，包括發（fā）出信號控製其動作及檢測夾具的狀態．上下（xià）料機器人通過（guò）ＰＬＣ接收數控機床發送的信號（hào），通信內容（róng）包括數控機床將門狀態（tài）、準備狀態（tài）、卡盤狀態（tài）、加工（gōng）狀（zhuàng）態（tài）等信息告（gào）知機器人（rén），機器人進行上下料．數控機床通過同一台ＰＬＣ接收機器人發（fā）送的信號。

信號內容包括機（jī）器人上（shàng）料完成回至準備（bèi）位置發送使數控機床開始加工的（de）信號、機（jī）器人取料完成使機床運動至準備狀態位置的信號、機器人放料完成發送使卡盤夾緊的信（xìn）號（hào）、機床加（jiā）工完成機器人夾緊工件發送使卡盤鬆開的信號．數控機床內置ＰＭＣ用來控製夾緊氣缸電磁閥、門氣（qì）缸開關電磁閥、主（zhǔ）軸吹氣（qì）電磁閥．表定義了（le）數控加工中心與工業機器人的聯絡信號，圖１給（gěi）出了二者的聯絡流程圖，圖２為改造後的上下料（liào）機器人與（yǔ）數（shù）控機床實物布（bù）置圖。

２　、係統硬件改造

２．１　機（jī）械改造

ＦＵＮＵＣ數控中心在（zài）原（yuán）有基礎上（shàng）作（zuò）了如下改造：增加了一（yī）扇安全（quán）門，由氣缸控製其開（kāi）關，開關狀態由行程開關（guān）反饋給機器人；夾具改造（zào）為氣動卡盤，卡（kǎ）盤的開關由磁性開關反饋給機器人；在主軸末端增加了一個吹氣裝置；工業機器人第六軸末端增加了（le）一平行氣動手抓。

表１　數控加工中心與工業機器（qì）人聯絡信號定義（yì）

圖１　工業機器（qì）人與數控加工中心聯絡流程圖（tú）

２．２　氣路設計

在（zài）整個改造（zào）係統中，共有４個（gè）氣路（lù），其中３個末端執（zhí）行機構為氣缸，一個（gè）末端為吹氣裝置．圖３為３個氣缸的控製回路。

圖（tú）２　改造後ＡＢＢ工業機器人（rén）與ＦＵＮＵＣ數控機床實物布置圖（tú）

圖３　氣缸（gāng）控製（zhì）回路

２．３　電氣設計

改造係統中負責工業機器人通信的為ＡＢＢ標準Ｉ／Ｏ板（bǎn）ＤＳＱＣ６５２，該（gāi）板共有（yǒu）１６個數字輸（shū）入信號和１６個數字輸出信號，其中Ｘ１、Ｘ２為數字輸出接（jiē）口，Ｘ３、Ｘ４為數字輸入接口．數字輸出（chū）接口中有２個引腳用來接電磁（cí）閥，驅動機（jī）器人氣缸（gāng）動作，其它輸入與輸出（chū）接口（kǒu）分別用來和ＰＬＣ進行通信，實（shí）現（xiàn）工（gōng）業機器人和數控機床的協同動作．在數控機（jī）床與工業機器人之（zhī）間增（zēng）加ＰＬＣ，一方麵可以實現工業機器人和其它設備如ＡＧＶ的無線（xiàn）通信（xìn），另一方（fāng）麵可以進行組網，實現多台數控機床及機器人的信息共享．圖４為連接ＰＬＣ與（yǔ）ＰＭＣ的ＦＸ－５０Ｆ分（fèn）線器．數控係統和ＰＭＣ相聯係，通過程序中的Ｍ代碼執行使ＰＭＣ輸出（chū）信號控製機床（chuáng）上（shàng）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　數控機床上的ＦＸ－５０分線器

圖５　改造係統通信示意圖

３　、係統程序設計

工業機器（qì）人和數控機床作為主要執行機構在運行（háng）中需要各自的程序進行驅（qū）動．工業機器人和數控機床（chuáng）之間通過ＰＬＣ進行通（tōng）信，需要編寫通信程序，數控機（jī）床通過ＰＭＣ程序驅動（dòng）附加在機床上的電（diàn）磁鐵動作。

３．１　工業機器人程序（xù）設計

工業機器人動作包括各關節的運（yùn）動及末端平行手抓的開合，這些動（dòng）作通過運行在工業機器人（rén）上的ＲＡＰＩＤ程序驅動．程序設計中（zhōng）首先要通過示教定義機器人運動的各個關鍵點，包括接貨台位置點、上下（xià）料中轉點、數控機（jī）床（chuáng）夾具附近取放（fàng）料（liào）點．其中，接貨台（tái）位置點及數控機床取放料點又包括目標點及相應準備點等．關鍵點確定之後，根據輸入輸出信號編製機器（qì）人上（shàng）下料流程圖（如圖６所示）．根據流程（chéng）圖、關鍵點，編製工業（yè）機器人（rén）運動程序。

圖６　工業機器人上下料流程圖

３．２　ＰＬＣ梯形（xíng）圖設計

在（zài）數控機床與工業機器人（rén）之（zhī）間增加的ＰＬＣ１２００主要負責二者（zhě）之間的通信工作，即（jí）信號在（zài）二者之間進行發送和接收，二者之間都要編寫（xiě）接收（shōu）和（hé）發送程序

．上下料機器人接收機床信號的子程序如圖７所示．

圖７　工業機器人接收機床信號程序（xù）

３．３　ＰＭＣ梯形圖設計

ＰＭＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）即數控機床內置式ＰＬＣ控製技術．在數控（kòng）機床（chuáng）中ＣＮＣ是整個數控係統的核心裝置，機（jī）床為最終執行機構，ＰＭＣ是（shì）ＣＮＣ與機床之間（jiān）信（xìn）息交換的平台，ＣＮＣ到ＰＭＣ的地址為Ｆ，反之為Ｇ；ＰＭＣ到（dào）機床的輸入信號（hào）為Ｙ，反之為Ｘ。

本文所進行的機床改造開發了如下輔助代碼Ｍ：安全門開關代碼、夾具鬆開（kāi）夾緊代碼、主軸吹氣打（dǎ）開關閉代碼（mǎ）、機床（chuáng）準備代碼、開始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼．表２為開發的Ｍ代碼（mǎ）．ＰＭＣ程序中（zhōng），機床首先對Ｍ代碼（mǎ）進行譯碼，譯碼後的地址（zhǐ）接通內部繼電器Ｙ，由內部繼電器驅動外（wài）部繼電器。

表２　ＦＵＮＵＣ數控加（jiā）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，關代碼為Ｍ１８，輸出（chū）內部繼電器分別為Ｙ００２１．０、Ｙ００２１．１。

圖８　數控機床夾具（jù）開關ＰＭＣ程序圖

３．４　數控加工程（chéng）序設（shè）計

根據開發的Ｍ代碼，結合零件圖（tú）紙信息，編製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．編製（zhì）的數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　、結束語（yǔ）

本文運用ＡＢＢ工業機器人（rén）對數控加工中心上下料（liào）做了以（yǐ）下技術改造（zào）：

（１）在工業機器人第六軸末端增加了一平行氣動手抓；在數控加工中心上增（zēng）加了一扇安全門，一台（tái）氣動夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置．增加的裝置（zhì）全部由氣路進行控製。

（２）為便於係（xì）統的升級、組網，在工業機器人與數控機床之間增（zēng）加了一（yī）台西門子ＰＬＣ１２００，從而實現了工業機器人和數控加工中心的（de）通信，並（bìng）可和其它設備如數控機床、ＰＬＣ及上位機進行通信。

（３）係統啟動後，二者按各自的（de）程序（xù）自動運行，通過信號傳（chuán）輸實現數控機床和工業（yè）機器人協（xié）同動作．根據工作過程編寫了工業機器人的運（yùn）行程序、數控機（jī）床主程序（xù）

、ＰＬＣ１２００通信程序及（jí）數控機床ＰＭＣ程序，從而實現了工業機器人的上下料。

實（shí）踐證（zhèng）明（míng），改造後的數（shù）控加工（gōng）中心能成功運用機（jī）器人進行上下（xià）料，從而可取代人完（wán）成惡劣工況下的作業。

在未來的智能工廠及無人工廠，該改造技術亦可推廣運用到到其它設備的升級換代。

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