基于工業機器人的自動加工工作站研制

摘 要：生產自動化是當前制造業產業升級的目標之一。針對機器加工流水線上的加工工位，基于工業機器人設計并研制自動加工工作站。經實踐驗證，該工作站能實現生產過程中工件的自動裝夾以及自動加工，提升生產效率，節約人工勞力成本。

關鍵詞：工業機器人；自動裝夾；數控機床

隨著我國產業升級步伐的加快以及人工勞力成本的日益增長，生產自動化成為了現今制造業進行生產裝備升級、生產效率提升的有效途徑之一。工業機器人作為工業中主要的自動化裝備廣泛的應用于制造業生產過程中。針對流水線上加工工位的自動化需求，設計并研制了一套自動加工工作站系統，該系統采用工業機器人將數控機床融入了自動生產線中，能實現加工現場自動化。

1 自動加工工作站的總體方案

所設計的自動加工工作站系統以機器人為核心，通過PLC時序邏輯控制器控制周邊裝置來配合完成一定的作業，上位機與機器人的通信是通過開關量完成。機器人的運動程序事先進行規劃，運動軌跡通過示教再現方式手工確定，通過分支、循環指令配合外部信號控制機器人動作時機和選擇路徑等。本自動加工工作站系統采用六軸工業機器人為生產線與數控機床實現工件搬運與裝夾。PLC通過邏輯判斷后控制數控車床實現圓軸類工件的自動加工。

2 主要設備的選型

2.1 PLC選型

PLC作為上位機，負責整套自動加工工作站系統的邏輯控制工作。要求其能提供足夠的IO點數用以收集以及輸出系統運行所需信號，并能與其它的工作站以及相關設備進行通訊。采用西門子故障安全型S7-300PLC，型號為315F-2DP/PN。該款PLC能夠提供足夠的IO點數用以收集生產線、工業機器人以及數控機床上的信號并經過邏輯判斷后進行相應的輸出，從而協調工業機器人與數控機床的工作。同時，PLC315F-2DP/PN能夠通過工業以太網或者現場總線與其他的工作站進行通訊。

2.2 數控系統選型

本工作站中的數控系統在能完成加工任務以及保證加工精度的前提下，應開放數控系統中邏輯控制部分給用戶進行二次開發設計。FANUC數控系統0I-TD的順序控制是由PMC（Programmable Machine Controller）來實現，PMC是內置于數控系統中的可編程順序邏輯控制器。采用FANUC數控系統0I-TD，可以通過配套軟件或者直接在系統面板上修改PMC程序。PMC以CNC內部和機床各行程開關、傳感器、按鈕、繼電器等的開關量信號狀態為條件，并按照預先規定的邏輯順序進行運動控制。諸如主軸的起停，換向，刀具的更換，工件的夾緊，松開，液壓，冷卻，潤滑系統的工作。PMC與外圍的開關量信號連接以及與PLC通訊在硬件上可通過數控機床上的IO-LINK模塊來實現。

2.3 工業機器人選型及夾具選擇

由于所需加工的軸類零件重量基本在0.5-2千克之間，對工業機器人的負載要求不高。川崎R系列的RS06L工業機器人能滿足該負載要求并具有較大的工作范圍，能夠合理的布置于生產線與數控機床之間完成搬運工作。川崎機器人由名為AS的軟件系統控制。在AS系統中，可以和機器人進行通訊或用AS語言開發程序。AS系統被編寫在機器人控制單元的永久存儲器里。AS系統按照給定的指令和程序控制機器人。在程序運行過程中，它也能執行好幾種功能。可以在程序運行中使用的功能有：顯示系統狀態或機器人位姿（位置和姿態）、保存數據到外部存儲設備、編寫/編輯程序。

工業機器人第六軸處安裝氣動夾鉗式取料裝置，其指端形狀為V形指。V形適用于夾持圓柱形工件，其特點是夾持平穩可靠，夾持誤差小。為提高機器人裝夾效率，機器人上安裝雙取料裝置，雙取料裝置呈一百八十度布置于第六軸端頭兩側。

3 自動加工工作站系統設計

自動加工工作站系統的邏輯控制任務由PLC完成，通過PLC的IO模塊接收信號并發出控制指令。與之相連接的分別為工業機器人的輸入輸出IO、數控系統外圍IO模塊的IO-LINK以及各種與工作站運行相關的按鈕、開關和傳感器。其系統連接圖如圖1所示。

PLC對數控機床的控制是通過修改數控系統中的PMC程序并設置公共變量來實現。本自動加工工作站系統所設計的功能控制以及狀態讀取信號有：機床準備好信號、報警信號、自動運行方式、自動運行、防護門的開與關、液壓卡盤的張開與夾緊。

工業機器人運行程序需事先示教編程，本自動加工工作站系統采用結構化編程，在主程序中調用相應的功能子程序，功能子程序設計有：初始化，生產線取件，機床放件，機床取件，機床取件后放件，生產線放件。子程序的是否調用由PLC收集相關信號后進行邏輯判斷，然后發出控制指令到工業機器人控制柜上的IO，通過與相應IO關聯的變量進行觸發子程序，同時工業機器人將運行過程的狀態通過IO反饋回PLC。

自動加工工作站的工作策略為：流水線上的接近開關監測到工件經由上工位流轉到達當前工位，PLC發出指令給定位氣缸固定工件，機器人取件返回原點，PLC接收到數控機床準備好信號后發出指令給機器人，機器人將工件送往液壓卡盤，由PLC協調數控機床與工業機器人的動作實現工件夾緊。機器人退出后，再由PLC發出指令給數控機床實現自動加工，在此過程中，機器人緊接著往流水線上取工件，回原點后等待機床加工完成后取件裝件，如此自動循環工作。

4 結束語

自動加工工作站采用工業機器人實現流水線與數控機床之間的自動搬運與裝夾，通過PLC調控各設備的生產運行節奏，實現了該工位的自動生產。該套系統采用IO方式連接各設備具有較高的可靠性，經實踐運行證明，有效的提高了生產效率。

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