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基於工業機器人的數控加工控製係統設計（jì）

2021-6-1 來源：天津職業（yè）技術師（shī）範天津中德應（yīng）用技術大學作者：龐黨鋒宋亞傑王春光劉彥磊李傳軍

摘要: 通過研究製（zhì）造生產線數控加工（gōng）單元和（hé）上下料係統，並分析數控機床和工業機器人工作原理和生產流程，設計一種基於 Modbus/TCP 協議的數控機床加工單元控製係統。該（gāi）係統采用 S7－1200 PLC 作為主（zhǔ）站，通（tōng）過以太網通（tōng）信實（shí）現（xiàn）對工業機（jī）器人和數控（kòng）機床協同控製。通過實際工程（chéng）驗證，該係統具有通信穩定、響應速度快和（hé）工（gōng）作效（xiào）率高等特點。

關鍵詞（cí）: 數控機床（chuáng）; 智能製造; Modbus/TCP; 工業機（jī）器人

0 前言

隨著中國製造 2025 戰略的提（tí）出，提高裝備製造智能化水平已經成為製造業發展的趨勢，加工製（zhì）造（zào）單（dān）元是（shì）智能製造的主要（yào）環節，其（qí）智能化程度對企業生產效率具有重要影響。為提高數控加工的智能化和信息化水平，設計基於 Modbus/TCP 協議的（de）工業機器人（rén）自動上下料係統，將數控（kòng）機床、工業機器人、數據信息采集管控等加工製造（zào）設備集成為智能製造係統。通過工程驗證，係統通信穩定、工作效率高，該係統在加工製造（zào）環節的（de）應用對提高製（zhì）造企業的智能製造水平具有重要意義。

1 、係統（tǒng）硬件結構設計

基於工業機（jī）器人的數控加工控製係統采用（yòng）西門子S7－1200 係列 PLC 作為係統的中央（yāng）控製器，型號為CPU1214C，PLC 集（jí）成 PＲOFINET 接口用於編程以（yǐ）及設備間通信，支持（chí）開（kāi）放的以太網協議與第三方設備通（tōng）信，通過工業交換機實現與機器（qì）人、數控機床等設備通信。

計算機用於控製（zhì）器 S7－1200 PLC 的編程和工業機器人的（de）編程調試，通過工業交換機（jī）將程序下載到 PLC 和工業機器人控製器，係統硬件結構如圖 1所示，係統網絡拓撲如圖 2 所示。

圖 1 統（tǒng）硬件結構

圖 2 係（xì）統網絡拓撲（pū）圖

2 、係統網絡通信設（shè）計

Modbus / TCP 是運行在 TCP / IP 上的 Modbus 報文傳輸協議（yì），通（tōng）過（guò）此協議，控製器相互之間通過網（wǎng）絡和其他設備進（jìn）行通信。控製器 S7－1200 PLC 與工業機器人李群 QKM 間采用 Modbus/TCP 通信協議，Modb-us / TCP 協議是標準的網絡通信協議，利用控（kòng）製器（qì）上的 PN 接口與工業機器人進行通信。

2. 1 控製器 PLC Modbus / TCP 協議

在 S7－1200 PLC 編程軟件 TIA Portal V15 中調用Modbus / TCP 的庫指令 “MB _ CLIENT ” 和 “MB _SEＲVEＲ”， “MB _ SEＲVEＲ” 指（zhǐ）令作為 Modbus / TCP服務器通過控製器 S7－1200PLC 的 PＲOFINET 連接（jiē）通信，使用該指令，無（wú）需其他任（rèn）何硬件模塊。S7－1200PLC Modbus / TCP 通信（xìn）程序如圖 3 所示， “MB_SEＲV-EＲ” 指令將處理 Modbus / TCP 客戶端的連接請求、接收 Modbus 功能的請求並發送響應; 通過（guò） “MB_CLIENT” 指令，在客（kè）戶端和服務器之間建立連接、發送請求、接收響應並（bìng）控製（zhì）Modbus//TCP 服務器連接終（zhōng）端。

圖 3 S7－1200 PLC Modbus/TCP 通信程序

2. 2 控製器 PLC 與機器人（rén）通信

S7－1200 PLC 為係統的主控製器，用來接（jiē）收上位機控製信息並進行分析，然後將控製指令發送給執行設備。控製器 S7－1200 PLC 與（yǔ）數控機床的通信通過硬件 I/O 方式來實現（xiàn）機床上（shàng）下料數據交互（hù）。為提高信號抗幹擾能力，在 PLC 信號輸（shū）出端（duān）增加光電（diàn）隔離模塊。機（jī）器人（rén）與 PLC 數（shù）據交互的主要地址分配（pèi）如表 1所示。

表 1 機器人與 PLC 數據交互主要地址分配

機器（qì）人與控製器 PLC 交互的目的主要是接收（shōu）PLC 發來的動作控製命令，執行相應（yīng）示教動作任務，並將（jiāng）自身運行狀態信息返回至 PLC，保證整個（gè）係統（tǒng）正常運行（háng），控製流程（chéng）如圖 4 所示（shì）。

圖 4 係統控製流程

工業機器人反饋給主（zhǔ）控（kòng）製器 PLC 的信息主（zhǔ）要包括對各指令的響應和係統狀態信息（xī）的反饋，同時還包（bāo）括機器人自身（shēn）的運行狀態，如空間坐標、工作模式等信息。

2. 3 機器人與數控（kòng）機床通信

采用李群自動化六軸工業機器人（rén），型（xíng）號為 QKMHL6; 數控機（jī）床安全門、夾具和加工狀態以布爾量存放在指定寄存器中，機（jī）器（qì）人從 Modbus 設備（bèi）上（shàng）讀取多個寄存器的值; 通過判斷不同寄存器的布爾量，完成設定的動作軌跡; 數控機床端（duān） IP 地（dì）址配置為192. 168. 0. 101，機器（qì）人端數據通信程序如下。

3 、機器人運動軌跡規劃

為了提（tí）高（gāo）自動上下料工業機器人的工作效率和（hé）精度，根據機器人運動路徑和末端位置姿（zī）態（tài），通（tōng）過調整運動軌跡平滑參（cān）數，在兩條直線路徑中規劃一段過渡路徑。由於機器人（rén）在數（shù）控車床上下料中的運動主要是直線路（lù）徑，在相鄰的 2 個路徑上（shàng）確定出過渡點，采用線性軌跡圓弧過渡。直線路徑采用（yòng）圓（yuán）弧（hú）過渡（dù）算法簡單（dān）且通過編程易（yì）於（yú）實現，該指令必須在兩段運動指（zhǐ）令間（jiān）執行。係統（tǒng）設計的效果圖（tú）與實物（wù）圖如圖 5 所示。

圖 5 係統設計效果（guǒ）圖與實物圖

根據機（jī）器人放置工件（jiàn）需要，機（jī）器人末端夾具需要垂（chuí）直到達起始位置 P1，位置 P1到位置 P2采用直線（xiàn）軌跡如圖 6 所示（shì）運動軌跡，從位置 P1水（shuǐ）平運動到目（mù）標位置 P2垂直 50 cm 處，再垂直運動 50 cm 到達目標位（wèi）置，通過設置機械下一個運動距離與當前運（yùn）動距離重疊 50%，機器人（rén）實際運動（dòng）的軌跡如圖 7 所示。

圖 6 直線運動軌跡

圖（tú） 7 圓弧過渡直線軌跡

起始位置 P1到目標位置 P2之間采用機器人Move. Force Overlap 指令，實（shí）現下一個運動距離與目標（biāo）距離重疊百分（fèn）數，程序 Move. Force Overlap ( 0，50)實現 2 個距離重疊（dié） 50%。

4 、結論

數控加（jiā）工單元是智能製造的重要組成部分，為（wéi）了提高（gāo）製造加工（gōng）單元的自動（dòng）化（huà）程度和工作效率，設計了基於（yú）工業機器人的數控加（jiā）工（gōng）製造控製係統。該係統通過協同控製工（gōng）業機器人和數控機床，實現了機床的自動上下料（liào）工作，通過實際工程（chéng）驗證（zhèng）了控製係（xì）統的可靠性，數控加（jiā）工效（xiào）率和（hé）安（ān）全性得到（dào）了提高。

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