工業機器人控制的機加工生產線設計與實現*

周名偵，張少明，蔣祖星

（廣東交通職業技術學院，廣東廣州 510800）

0 前言

為了提高生產效率，減輕人員勞動強度，降低機加工生產過程中的勞動力成本，需對原有的數控機加工設備基礎上進行升級改造，以達到生產線一天24小時連續加工生產要求。為此，將原人工數控機加工生產線設計成以工業機器人協同合作的機加工生產線控制系統。該系統采用PLC為控制核心，構建2臺工業機器人與原生產線設備協同合作，實現從原料毛坯棒料、數控機加工、零件傳送、堆放碼垛無人控制，從而實現整個生產過程的自動化[1-7]。

1 工業機器人控制的自動化生產線系統組成及工藝流程

本文研究的工業機器人控制的自動化生產線系統組成如圖1所示。系統由原材料堆放與物料翻轉、數控車床自動上下料、皮帶運輸、智能分揀碼垛入庫、控制器與氣源供應5個單元。各單元實現的功能如下。

圖1 工業機器人控制的自動化生產線系統組成及工藝流程

（1）物料翻轉單元：由工位帶檢測原料平面倉、物料翻轉氣爪、系統按鈕控制盒及過濾減壓閥等組成，主要實現功能是系統啟動、停止、復位和急停的操作；存放待加工的毛坯棒料；棒料經車床加工一頭后由機器人搬運至翻轉氣爪上實現棒料的翻轉，從而在車床里實現棒料另一頭的加工；系統氣源的進口，對氣體進行過濾減壓。

（2）數控車床自動上下料單元：主要由數控車床和工業機器人組成，由工業機器人將需加工的工件放至車床加工工位，車床實現自動加工，加工完成后再由機器人把工件取出放至相關地方。

（3）皮帶運輸單元：由皮帶傳輸機構組成，由三相異步電動機作為動力，當機器人將物件放至傳送帶上時，傳送帶接到啟動信號運行，當尾部的電感傳感器檢測到物件到達時，傳送帶即停止運行，等待機器人來抓取。

（4）智能分揀碼垛入庫單元：由ABB1410工業機器人和3×3碼垛立體倉庫組成。實現功能當傳送帶尾端檢測到工件到達時，機器人啟動去抓取工件，之后機器人會根據倉庫各庫位工件的有無按順序入庫。

（5）控制器與氣供單元：由三菱PLC、變頻器、開關電源、斷路器、接線端子排、空氣壓縮機組成，是電氣元部件的匯集，提供電源和氣源。

2 自動化生產線的硬件設計

工業機器人控制的自動化生產工藝流程由三菱PLC作為控制中心負責，通過主從站通訊交互信號形式，完成信號轉換、工業機器人、數控車床和運輸皮帶等設備的動作全過程協調控制。整個工業機器人控制的自動化生產線工藝流程如圖2所示，主要包括：PLC控制器、機器人、數控車床、變頻器、觸摸屏、光電傳感器及限位開關、空氣壓縮機與管系等。

圖2 自動化生產線工藝流程

2.1 設備的選型

利用ABB IRB 1410工業機器人、華中HNC-180xp/T3數控系統、三菱FX3U系列PLC、RS485通信模塊、三菱FR-D720s變頻器、光電傳感器及限位開關、供氣系統等設備或部件組成機加工的自動化生產線閉環控制系統，通過工業機器人的靈活抓取，數控車床的加工，實現物料和零件的移位和轉移。

2.2 自動化生產線PLC的I/O確定

整個系統需要確定的PLC端口有2個，主要是主站0#PLC與從站1#PLC。現以1#PLC為例說明。

輸入端口：X11(傳送帶物料放檢測)；X12(傳送帶物料拿檢測)；X13(機器人抓件完成（OUT2）)；X14(機器人放件完成（OUT3）)。

輸出端口：Y0(變頻器正轉)；Y1(變頻器反轉)；Y2(電機抱閘)；Y3(機器人抓件 （IN1） )；Y4(機 器 人 放 件 （IN2）)； Y5(機 器 人 Start at Main(IN3))；Y06(機器人 Stop(IN4))；Y7(機器人Mo?tors On(IN5))；Y10(機器人 Motors Off(IN6))。

除了以上需確定的PLC端口外，還需確定PLC通訊信號、機器人信號、車床信號等，在此不再重述。

2.3 PLC與工業機器人控制柜通訊模塊接線圖

生產線的電氣接線圖主要有主站0#PLC與從站1#PLC、數控車床、工業機器人控制柜4大部件的安裝與接線。其中PLC、車床應用得比較多，不再敘述。而工業機器人的接線相對比較少，特別是控制柜的DSQC652通訊模塊與PLC的接線，具體如圖3所示。

圖3 PLC與工業機器人控制柜通訊模塊DSQC652通訊模塊的接線圖

3 自動化生產線的軟件編程控制設計

整個生產線控制流程如圖4所示。從流程中可看出，PLC是整個系統的核心，它控制著系統的正常運行，并針對具體的情況進行指令發布，工業機器人、數控車床和電氣設備根據設定的相關信息的輸入輸出指令，分別由PLC、工業機器人和數控車床三部分的程序調動對應的設備執行動作。

3.1 PLC控制設計

本自動化生產線控制系統是由2臺三菱PLC組成，通過RS485通訊模塊構成N:N網絡通信，以達到動作的協調和信號的傳遞。控制流程如圖5所示。編寫程序控制時設0#PLC為主站，1#PLC為從站，從站個數為1個，通信的軟元件點數的刷新模式為1，重試次數設定3次，通信超時設置50 ms。設置超時與二臺PLC的安裝距離有關，距離越長，設置時間越長。

圖4 自動化生產線控制主流程圖

圖5 PLC控制流程圖

3.2 工業機器人控制設計

工業機器人由于具有執行機構運動的控制機能，所以可做點位和連續軌跡。其中點位只控制執行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、一般搬運和裝卸等作業。因此，自動生產線機加工的原料到機床、機床到翻轉臺、機床到傳送帶、傳送帶到零件倉儲的作業都由工業機器人完成。現以1#工業機器人控制智能分揀碼垛入庫單元說明其編程思路，如圖6所示。

3.3 數控車床機加工控制設計

當數控車床準備好以后，向機器人發送信號，機器人接收信號動作將原材料送至車床夾盤夾緊后，機械臂退出并關上數控門后，由數控門限位開關發出數控加工指令。機加工的自動加工過程，依不同加工材料、元件、精度而有所不同，所走的軌跡是不同的，它由數控具體的編程決定，但流程是一樣的，如圖7所示。

圖6 1#機工業機器人控制智能分揀碼垛入庫流程圖

圖7 數控機加工流程圖

4 結束語

機加工自動控制系統經過實際調試和使用，滿足了現場生產所需，控制過程邏輯準確，材料零件傳送到位，抓取精度高，各個動作和執行機構達到設計要求，并可以連續不間斷地運行24小時，降低了工人勞動強度，提高了生產效率，具有一定經濟和推廣價值。

參考文獻：

［1］王鴻博，李建東.基于工業機器人的分揀生產線群控通信系統設計［J］.制造技術與機床，2016（03）：93-97.

［2］蘇淵博，李霞等.基于PLC控制的機器人自動化生產線設計［J］.智能機器人，2016（11）：65-68.

［3］李太勝.基于PLC控制的工業機器人系統的研究與實現［J］.中國高新技術企業，2014（15）：26-27.

［4］劉謙波.基于PLC的工業機器人藥瓶分揀系統的實現［J］.機電工程技術，2014（08）：29-31.

［5］施文龍，閔華松.工業機器人運動控制系統的設計與實現［J］.自動化與儀表，2015（05）：37-41.

［6］李煜卉，彭勇剛.工業機器人通用圖形化編程軟件的研究［J］.機電工程，2016（4）：502-506.

［7］曹智.工業機器人在沖壓自動化生產線的應用研究［J］.高新技術，2017（02）：9-10.