基（jī）於工業機（jī）器人的數控加工控製係統設計
2021-6-1 來源：天津職業技術師範 作者：龐黨鋒 宋亞傑 王春光 劉彥磊 李傳軍
摘要: 通過研究製造生產（chǎn）線數控加工單元和上下（xià）料係（xì）統，並分析數控機床和工業（yè）機（jī）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（chuáng）加工單元控製係統。該係統采用 S7－1200 PLC 作為主站，通過以太網通信實現對（duì）工業機（jī）器人和數控機床協同控（kòng）製。通過實際（jì）工程驗證，該係統具有通信穩定、響應（yīng）速度快和（hé）工作效率高等特點（diǎn）。
關鍵詞: 數控（kòng）機床; 智（zhì）能製造; Modbus/TCP; 工業機器人
0 前言（yán）
隨著中（zhōng）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（fā）展的（de）趨勢，加工製造單元是智能製造的（de）主要環節，其智能（néng）化程度對企業（yè）生產效率具有重要影響。為提高（gāo）數控加工的智能化（huà）和信息化水平，設計基於 Modbus/TCP 協議的工業機（jī）器人自動（dòng）上下料係統，將數控機床、工業機器人、數據信息采集管控等加工製造設備集成為（wéi）智能製造係統。通過工程驗證，係統通信穩定、工作效（xiào）率高，該（gāi）係統（tǒng）在加（jiā）工（gōng）製造環節的應用對提高製造（zào）企業的智（zhì）能製（zhì）造水（shuǐ）平具有重要意義。
1 、係統（tǒng）硬件（jiàn）結構設計
基於工業機器人的數控加工控製係統采用西門子S7－1200 係列 PLC 作為係統的中央控製器，型號為CPU1214C，PLC 集（jí）成 PＲOFINET 接口用於編程以及設備間通信，支持開放的以太網協（xié）議（yì）與第三方設備通信，通過工業交換機實（shí）現與機（jī）器人、數控機床等設備通信。
計算機用（yòng）於控製器 S7－1200 PLC 的編程和工業機器人（rén）的編程調試，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（xì）統硬件結構如（rú）圖 1所示，係（xì）統網絡拓撲如圖 2 所示。
圖（tú） 1 統硬件（jiàn）結構
圖 2 係統網絡拓撲圖
2 、係統網絡通信（xìn）設計
Modbus / TCP 是運行（háng）在 TCP / IP 上的 Modbus 報文傳輸協（xié）議，通過此協議，控製器相互之間通過網（wǎng）絡和其他設備（bèi）進行通信（xìn）。控（kòng）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（zhǔn）的網絡通信協議，利用控製器上的 PN 接口與工（gōng）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（lìng） “MB _ CLIENT ” 和 “MB _SEＲVEＲ”， “MB _ SEＲVEＲ” 指令作為 Modbus / TCP服務器（qì）通過控製器 S7－1200PLC 的 PＲOFINET 連接通（tōng）信，使用（yòng）該（gāi）指令，無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（lǐ） Modbus / TCP 客（kè）戶端的連（lián）接請求、接收 Modbus 功能（néng）的請求並發送響應; 通過 “MB_CLIENT” 指令（lìng），在客戶端和服務器之間建立連接、發送請求、接（jiē）收（shōu）響應並控製Modbus//TCP 服務器連接終端。
圖 3 S7－1200 PLC Modbus/TCP 通信程序
2. 2 控製器 PLC 與機（jī）器（qì）人通（tōng）信
S7－1200 PLC 為係統（tǒng）的主控（kòng）製器，用來接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（qì） S7－1200 PLC 與數控機床的通信通（tōng）過硬（yìng）件 I/O 方式來實現機床上下（xià）料數據交互。為提高（gāo）信號抗（kàng）幹（gàn）擾能力，在 PLC 信號輸出端（duān）增加光（guāng）電隔離模塊（kuài）。機器人與 PLC 數據交互的主要地址分配如表 1所示。
表 1 機器人（rén）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PLC 發來的動作控製命令，執行相應（yīng）示教動作任務，並將自（zì）身（shēn）運行狀態信息返回至 PLC，保證整個係統正常運行，控（kòng）製流程如圖 4 所示。
圖 4 係（xì）統控（kòng）製流程
工業機器人反饋給主控製（zhì）器 PLC 的信息主要包括對各指令（lìng）的響應和係統狀態信息（xī）的反饋，同時還包括機器人自身的（de）運行狀態，如空間坐標、工作模式等信息。
2. 3 機器人與數控機床通信
采用李群（qún）自動化六軸工業機器人（rén），型號為 QKMHL6; 數控機床安全門（mén）、夾具和加工狀態以布爾量存放在指定寄存器中，機（jī）器人從 Modbus 設備上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（chuáng） 端 IP 地址（zhǐ）配置為192. 168. 0. 101，機器人端數據通信程序如下。
3 、機（jī）器人運動軌跡規劃
為了提高自動（dòng）上下料（liào）工業機器人的工作效率（lǜ）和精度，根（gēn）據機（jī）器人（rén）運動路徑和（hé）末端位置姿態，通過調整運動軌跡平（píng）滑參數，在兩（liǎng）條直線路徑中規劃一段過渡路徑。由於機器人在數控車床上下料中的運動主要（yào）是直線路徑，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。直線路徑采用圓弧過渡算法簡單且通過編程易於實現（xiàn），該指令必須在兩段運動指令間執行。係統設計的效果（guǒ）圖與實物（wù）圖如圖（tú） 5 所示。
圖（tú） 5 係統設計效果圖與（yǔ）實物圖
根據機器人放置工件需要，機器（qì）人末端夾具需要（yào）垂直到達起始位置 P1，位置 P1到位置 P2采用直線軌跡如圖 6 所示運動軌跡，從位置（zhì） P1水平運動到目標位置 P2垂直（zhí） 50 cm 處，再垂直（zhí）運動（dòng） 50 cm 到達目標位置（zhì），通過設置機械下（xià）一個運動距離與當前運動距
離重（chóng）疊 50%，機（jī）器人實際運（yùn）動的軌跡如圖 7 所示（shì）。
圖 6 直（zhí）線運動軌跡
圖 7 圓（yuán）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，實現（xiàn）下一個（gè）運動距離與目標距離重疊百（bǎi）分數（shù），程序 Move. Force Overlap ( 0，50)實現 2 個距離重疊 50%。
4 、結論（lùn）
數控加工單元是智能製造的重要組成（chéng）部分，為了提高製造加工單元的自動（dòng）化程度（dù）和工作效率，設計了基於工業機器人的數控加工製造控製係統。該係統（tǒng）通過協同控製（zhì）工（gōng）業機器人（rén）和數（shù）控機床，實現了機床的自動上下料工作，通過實際工程驗證（zhèng）了控（kòng）製（zhì）係統的可靠性，數控加工（gōng）效率和安全性得到了提高。
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