基于工業(yè)機(jī)器人的自動加工工作站研制

摘 要：生產(chǎn)自動化是當(dāng)前制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的目標(biāo)之一。針對機(jī)器加工流水線上的加工工位，基于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)并研制自動加工工作站。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該工作站能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中工件的自動裝夾以及自動加工，提升生產(chǎn)效率，節(jié)約人工勞力成本。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；自動裝夾；數(shù)控機(jī)床

隨著我國產(chǎn)業(yè)升級步伐的加快以及人工勞力成本的日益增長，生產(chǎn)自動化成為了現(xiàn)今制造業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)裝備升級、生產(chǎn)效率提升的有效途徑之一。工業(yè)機(jī)器人作為工業(yè)中主要的自動化裝備廣泛的應(yīng)用于制造業(yè)生產(chǎn)過程中。針對流水線上加工工位的自動化需求，設(shè)計(jì)并研制了一套自動加工工作站系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人將數(shù)控機(jī)床融入了自動生產(chǎn)線中，能實(shí)現(xiàn)加工現(xiàn)場自動化。

1 自動加工工作站的總體方案

所設(shè)計(jì)的自動加工工作站系統(tǒng)以機(jī)器人為核心，通過PLC時(shí)序邏輯控制器控制周邊裝置來配合完成一定的作業(yè)，上位機(jī)與機(jī)器人的通信是通過開關(guān)量完成。機(jī)器人的運(yùn)動程序事先進(jìn)行規(guī)劃，運(yùn)動軌跡通過示教再現(xiàn)方式手工確定，通過分支、循環(huán)指令配合外部信號控制機(jī)器人動作時(shí)機(jī)和選擇路徑等。本自動加工工作站系統(tǒng)采用六軸工業(yè)機(jī)器人為生產(chǎn)線與數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)工件搬運(yùn)與裝夾。PLC通過邏輯判斷后控制數(shù)控車床實(shí)現(xiàn)圓軸類工件的自動加工。

2 主要設(shè)備的選型

2.1 PLC選型

PLC作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)整套自動加工工作站系統(tǒng)的邏輯控制工作。要求其能提供足夠的IO點(diǎn)數(shù)用以收集以及輸出系統(tǒng)運(yùn)行所需信號，并能與其它的工作站以及相關(guān)設(shè)備進(jìn)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(diǎn)數(shù)用以收集生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人以及數(shù)控機(jī)床上的信號并經(jīng)過邏輯判斷后進(jìn)行相應(yīng)的輸出，從而協(xié)調(diào)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的工作。同時(shí)，PLC315F-2DP/PN能夠通過工業(yè)以太網(wǎng)或者現(xiàn)場總線與其他的工作站進(jìn)行通訊。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)選型

本工作站中的數(shù)控系統(tǒng)在能完成加工任務(wù)以及保證加工精度的前提下，應(yīng)開放數(shù)控系統(tǒng)中邏輯控制部分給用戶進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)0I-TD的順序控制是由PMC（Programmable Machine Controller）來實(shí)現(xiàn)，PMC是內(nèi)置于數(shù)控系統(tǒng)中的可編程順序邏輯控制器。采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)0I-TD，可以通過配套軟件或者直接在系統(tǒng)面板上修改PMC程序。PMC以CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等的開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序進(jìn)行運(yùn)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(tǒng)的工作。PMC與外圍的開關(guān)量信號連接以及與PLC通訊在硬件上可通過數(shù)控機(jī)床上的IO-LINK模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.3 工業(yè)機(jī)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(yè)機(jī)器人的負(fù)載要求不高。川崎R系列的RS06L工業(yè)機(jī)器人能滿足該負(fù)載要求并具有較大的工作范圍，能夠合理的布置于生產(chǎn)線與數(shù)控機(jī)床之間完成搬運(yùn)工作。川崎機(jī)器人由名為AS的軟件系統(tǒng)控制。在AS系統(tǒng)中，可以和機(jī)器人進(jìn)行通訊或用AS語言開發(fā)程序。AS系統(tǒng)被編寫在機(jī)器人控制單元的永久存儲器里。AS系統(tǒng)按照給定的指令和程序控制機(jī)器人。在程序運(yùn)行過程中，它也能執(zhí)行好幾種功能。可以在程序運(yùn)行中使用的功能有：顯示系統(tǒng)狀態(tài)或機(jī)器人位姿（位置和姿態(tài)）、保存數(shù)據(jù)到外部存儲設(shè)備、編寫/編輯程序。

工業(yè)機(jī)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(diǎn)是夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小。為提高機(jī)器人裝夾效率，機(jī)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(cè)。

3 自動加工工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動加工工作站系統(tǒng)的邏輯控制任務(wù)由PLC完成，通過PLC的IO模塊接收信號并發(fā)出控制指令。與之相連接的分別為工業(yè)機(jī)器人的輸入輸出IO、數(shù)控系統(tǒng)外圍IO模塊的IO-LINK以及各種與工作站運(yùn)行相關(guān)的按鈕、開關(guān)和傳感器。其系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

PLC對數(shù)控機(jī)床的控制是通過修改數(shù)控系統(tǒng)中的PMC程序并設(shè)置公共變量來實(shí)現(xiàn)。本自動加工工作站系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能控制以及狀態(tài)讀取信號有：機(jī)床準(zhǔn)備好信號、報(bào)警信號、自動運(yùn)行方式、自動運(yùn)行、防護(hù)門的開與關(guān)、液壓卡盤的張開與夾緊。

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行程序需事先示教編程，本自動加工工作站系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程，在主程序中調(diào)用相應(yīng)的功能子程序，功能子程序設(shè)計(jì)有：初始化，生產(chǎn)線取件，機(jī)床放件，機(jī)床取件，機(jī)床取件后放件，生產(chǎn)線放件。子程序的是否調(diào)用由PLC收集相關(guān)信號后進(jìn)行邏輯判斷，然后發(fā)出控制指令到工業(yè)機(jī)器人控制柜上的IO，通過與相應(yīng)IO關(guān)聯(lián)的變量進(jìn)行觸發(fā)子程序，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人將運(yùn)行過程的狀態(tài)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(guān)監(jiān)測到工件經(jīng)由上工位流轉(zhuǎn)到達(dá)當(dāng)前工位，PLC發(fā)出指令給定位氣缸固定工件，機(jī)器人取件返回原點(diǎn)，PLC接收到數(shù)控機(jī)床準(zhǔn)備好信號后發(fā)出指令給機(jī)器人，機(jī)器人將工件送往液壓卡盤，由PLC協(xié)調(diào)數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人的動作實(shí)現(xiàn)工件夾緊。機(jī)器人退出后，再由PLC發(fā)出指令給數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動加工，在此過程中，機(jī)器人緊接著往流水線上取工件，回原點(diǎn)后等待機(jī)床加工完成后取件裝件，如此自動循環(huán)工作。

4 結(jié)束語

自動加工工作站采用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)流水線與數(shù)控機(jī)床之間的自動搬運(yùn)與裝夾，通過PLC調(diào)控各設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)了該工位的自動生產(chǎn)。該套系統(tǒng)采用IO方式連接各設(shè)備具有較高的可靠性，經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行證明，有效的提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]欒楠，陳建平，言勇華.工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制與編程[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2013（10）：40-42.

[2]盧澤旭.工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用研究[J].裝備應(yīng)用與研究，2012，12：49-51.

[3]趙偉，李響，郭愛華，等.工業(yè)機(jī)器人碼垛線的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2011，33（10）：117-119.

[4]張愛民，王倩.基于總線模式的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].設(shè)計(jì)與研究，2010，11：40-42.