基于ABB工業機器人上下料的FUNUC數控加工中心改造關鍵技術

阮廣東,呂新明，何彥虎 (湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000)

數控機床作為機加工的一種核心設備，在機械零部件切削加工中發揮著重要的作用.長期以來，數控機床僅是作為獨立的裸機投入到生產中.隨著智能制造時代的到來以及工業自動化程度的提高，數控機床已不再是單一獨立的加工設備，而是作為智能制造系統的一個核心環節和節點，和其它輔助設備如工業機器人、PLC聯網通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.

工業機器人作為一種重要自動化設備，是智能制造系統中的另一個重要環節.在機械制造領域，工業機器人可用來完成沖壓、壓鑄、鍛造、機床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴涂、裝配等作業中的輔助動作[1]，如上下料等按預定軌跡運動的動作，從而可代替人完成重復、繁瑣、危險、勞動強度大、精度要求高的動作.在數控加工領域，利用工業機器人取代人進行上下料可實現在惡劣環境下的高效率大批量生產、長時間作業，并能顯著降低制造成本[2-3].基于工業機器人的以上優點，許多機加工密集的企業已完全或部分實現工業機器人與數控機床協同作業，許多大中專院校也相繼建立了利用工業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于ABB工業機器人上下料功能的改造.

1 系統總體方案設計

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機器人直接和控制第六軸末端平行氣動手抓的電磁閥進行通信，包括發出信號控制其動作及檢測夾具的狀態.上下料機器人通過PLC接收數控機床發送的信號[4-5]，通信內容包括數控機床將門狀態、準備狀態、卡盤狀態、加工狀態等信息告知機器人，機器人進行上下料.數控機床通過同一臺PLC接收機器人發送的信號.信號內容包括機器人上料完成回至準備位置發送使數控機床開始加工的信號、機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號、機床加工完成機器人夾緊工件發送使卡盤松開的信號.數控機床內置PMC用來控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開關電磁閥、主軸吹氣電磁閥.表1定義了數控加工中心與工業機器人的聯絡信號，圖1給出了二者的聯絡流程圖，圖2為改造后的上下料機器人與數控機床實物布置圖.

2 系統硬件改造

2.1 機械改造

FUNUC數控中心在原有基礎上作了如下改造：增加了一扇安全門，由氣缸控制其開關，開關狀態由行程開關反饋給機器人；夾具改造為氣動卡盤，卡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一平行氣動手抓.

表1 數控加工中心與工業機器人聯絡信號定義
Table1 The definition of contact signal between the NC machining center and the industrial robot

機器人信號名稱信號傳輸方向PLC地址數控機床PMC地址信號說明DI10＿01 ←Q0．0Y21．3機床準備DI10＿02 ←Q0．1Y21．4機床完成DI10＿03 ←Q0．2無卡盤開狀態DI10＿04 ←Q0．3無卡盤關狀態DI10＿05 ←Q0．4無門狀態DI10＿06 ←Q0．5無物料到位DI10＿07 ←Q0．6無成品已取料DO10＿08 →I0．0X8．5開始加工DO10＿09 →I0．1X8．7取料完成DO10＿10 →I0．2Y21．0卡盤開DO10＿11 →I0．3Y21．1卡盤關DO10＿12 →I0．4無等待物料DO10＿13 →I0．5X3．0加工完成

圖1 工業機器人與數控加工中心聯絡流程圖Fig.1 The contact flow chart between the industrial robot and the NC machining center

圖2 改造后ABB工業機器人與FUNUC數控機床實物布置圖Fig.2 The physical layout of ABB industrial robot and FUNUC CNC machine tool after modification

2.2 氣路設計

在整個改造系統中，共有4個氣路，其中3個末端執行機構為氣缸，一個末端為吹氣裝置.圖3為3個氣缸的控制回路.

圖3 氣缸控制回路Fig.3 A cylinder control loop

2.3 電氣設計

改造系統中負責工業機器人通信的為ABB標準I/O板DSQC652，該板共有16個數字輸入信號和16個數字輸出信號，其中X1、X2為數字輸出接口，X3、X4為數字輸入接口.數字輸出接口中有2個引腳用來接電磁閥，驅動機器人氣缸動作，其它輸入與輸出接口分別用來和PLC進行通信，實現工業機器人和數控機床的協同動作.在數控機床與工業機器人之間增加PLC，一方面可以實現工業機器人和其它設備如AGV的無線通信，另一方面可以進行組網，實現多臺數控機床及機器人的信息共享.圖4為連接PLC與PMC的FX-50F分線器.數控系統和PMC相聯系，通過程序中的M代碼執行使PMC輸出信號控制機床上電磁鐵的動作.圖5為工業機器人、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Fig.4 The FX-50 divider on NC machine tools

圖5 改造系統通信示意圖Fig.5 The sketch map of transforming communication system

3 系統程序設計

工業機器人和數控機床作為主要執行機構在運行中需要各自的程序進行驅動.工業機器人和數控機床之間通過PLC進行通信，需要編寫通信程序，數控機床通過PMC程序驅動附加在機床上的電磁鐵動作.

3.1 工業機器人程序設計

工業機器人動作包括各關節的運動及末端平行手抓的開合，這些動作通過運行在工業機器人上的RAPID程序驅動.程序設計中首先要通過示教定義機器人運動的各個關鍵點， 包括接貨臺位置點、上下料中轉點、數控機床夾具附近取放料點.其中，接貨臺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.關鍵點確定之后，根據輸入輸出信號編制機器人上下料流程圖(如圖6所示).根據流程圖、關鍵點，編制工業機器人運動程序.

圖6 工業機器人上下料流程圖Fig.6 The flow chart of feeding and unloading of the industrial robot

工業機器人上料部分程序：

PROC main( )

WaitDI DI10_06, 1;

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v500, z10, CNC_TOOL;

Reset DO10_02;

PulseDOPLength:=2, DO10_01;

MoveJ Offs(JHT_QL,0,0,30), v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_09, 1;

MoveL JHT_QL, v50, fine, CNC_TOOL;

Reset DO10_01;

WaitTime 1;

Set DO10_02;

WaitTime 1;

MoveL Offs(JHT_QL,0,0,30), v50, fine, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB001, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB50, v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_05, 1;

WaitDI DI10_01, 1;

MoveJ CNC_SL_ZB60, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB70, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB110, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB120, v300, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_03, 1;

MoveJ CNC_SL_JJ02, v100, z1, CNC_TOOL;

……

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

ENDPROC

ENDMODULE

3.2 PLC梯形圖設計

在數控機床與工業機器人之間增加的PLC1200主要負責二者之間的通信工作，即信號在二者之間進行發送和接收，二者之間都要編寫接收和發送程序.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Fig.7 The program of industrial robots receiving machine signal

3.3 PMC梯形圖設計

PMC(Programmable Machine Controller)即數控機床內置式PLC控制技術.在數控機床中CNC是整個數控系統的核心裝置，機床為最終執行機構，PMC是CNC與機床之間信息交換的平臺，CNC到PMC的地址為F，反之為G；PMC到機床的輸入信號為Y，反之為X[6].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、夾具松開夾緊代碼、主軸吹氣打開關閉代碼、機床準備代碼、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.PMC程序中，機床首先對M代碼進行譯碼，譯碼后的地址接通內部繼電器Y，由內部繼電器驅動外部繼電器[7-9].圖8為卡盤夾具開關PMC程序圖，夾具開代碼為M17，關代碼為M18，輸出內部繼電器分別為Y0021.0、Y0021.1.

表2 FUNUC數控加工中心M代碼說明表
Table2 The description table of M code about FUNUC NC machining center

代碼功能類型說明M15安全門開M16安全門關M23機床吹氣開M24機床吹氣關CNC系統傳送至PMC的信號CNC系統信號傳送至PMCM17卡盤松開M18卡盤夾緊M51開始加工M53取料完成機器人傳送至機床的信號機器人信號通過PLC傳送至PMCM50機床準備M52加工完成機床傳送至機器人的信號CNC系統通過PMC傳至機器人

3.4 數控加工程序設計

根據開發的M代碼，結合零件圖紙信息，編制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.編制的數控機床加工主程序程序號為O0001，調用的子程序號為O0002.主程序如下：

O0001；

G0X0Y0Z100；

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關

G54G90G00 X0 Y0 Z350；放料位置

M15；安全門開

M18；夾具開

N10 M50；準備

M17；夾具關

M51；開始加工

M16；安全門關

G4X3；暫停2s

M98P2；調用加工子程序

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關

G54G90G0X0 Y0 Z350；取料位置

M15；安全門開

M52；加工完成

M18；夾具開

M53；取料完成

GOTO 10；程序跳轉

M30；

圖8 數控機床夾具開關PMC程序圖Fig.8 The PMC program diagram about the switch of the tool fixture of NC machine

4 結束語

本文運用ABB工業機器人對數控加工中心上下料做了以下技術改造：

(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加了一扇安全門，一臺氣動夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置.增加的裝置全部由氣路進行控制.

(2)為便于系統的升級、組網，在工業機器人與數控機床之間增加了一臺西門子PLC1200，從而實現了工業機器人和數控加工中心的通信，并可和其它設備如數控機床、PLC及上位機進行通信.

(3)系統啟動后，二者按各自的程序自動運行，通過信號傳輸實現數控機床和工業機器人協同動作.根據工作過程編寫了工業機器人的運行程序、數控機床主程序、PLC1200通信程序及數控機床PMC程序，從而實現了工業機器人的上下料.

實踐證明，改造后的數控加工中心能成功運用機器人進行上下料，從而可取代人完成惡劣工況下的作業.在未來的智能工廠及無人工廠中，該改造技術亦可推廣運用到到其它設備的升級換代.

[1]許鵬輝．工業機器人在機械制造中的應用[J]．中外企業家，2015(9)：131-132．

[2]周永志，王義．工業機器人在數控機床中的應用[J]．金屬加工(冷加工)，2012(12)：28．

[3]梁殿勝，江文明．工業機器人在機床上下料和零部件搬運中的應用[J]．機電信息，2014(27):47-49．

[4]黃麗. PLC 在數控系統改造中的應用[J]．裝備制造技術，2009(3)：153-154．

[5]夏燕蘭．PLC在數控機床上的應用[J]．南京工業職業技術學院學報，2002，2(2)：16-18．

[6]宋松，王悅，楊中力．圖解FANUC PMC編程與應用[M]．北京：機械工業出版社，2010．

[7]張愛紅．應用于自動生產線的數控機床改造設計[J]．制造業自動化，2014，36(8)：122-125．

[8]BEIJING-FANUC PMC梯形圖語言編程說明書[Z]．BEIJING-FANUC，2003：316-318．

[9]FUNUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D連接說明書(功能篇)[Z]．BEIJING-FANUC，2008：1 247-1 249．