機(jī)器人制造單元控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 葛艷娜

0 前言

制造單元就是MCE(Manufacturing Cell Engineering)，制造單元基于成組技術(shù)，是制造車間的基本組成單元[1]，它是由特定加工任務(wù)的生產(chǎn)物料、工具、環(huán)境、機(jī)械設(shè)備、操作人員和其他輔助設(shè)施等的組合[2]，其目標(biāo)是提高設(shè)備利用率、制品庫(kù)存及生產(chǎn)柔性[3]來(lái)提高產(chǎn)品的品質(zhì)。目前已經(jīng)發(fā)展到第三代高級(jí)智能型工業(yè)機(jī)器人[4]，它能夠高度的自主適應(yīng)復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，且具有自主學(xué)習(xí)和決策控制的能力[5]，而且從各方面更接近人類。集成智能化工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)搬運(yùn)、自動(dòng)裝載卸載、臨時(shí)存儲(chǔ)等功能，并結(jié)合CNC設(shè)備、工件庫(kù)、CMM(Coordinate Measuring Machine)檢測(cè)設(shè)備及防護(hù)欄等而發(fā)展起來(lái)的機(jī)器人制造單元[6]。

1 系統(tǒng)建模

該系統(tǒng)建模主要包括三大部分:需求建模、靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模[7]。需求建模就是對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)過(guò)程進(jìn)行分析、總體功能的需求進(jìn)行分析和對(duì)功能進(jìn)行描述；靜態(tài)模型是用系統(tǒng)的類圖來(lái)描述的模型；動(dòng)態(tài)模型用一系列序列圖來(lái)描述。

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況分析出機(jī)器人制造單元的主要業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 主要業(yè)務(wù)流程

將機(jī)器人制造單元系統(tǒng)中的類有很多：例如機(jī)床類與工作組類和夾具類為一對(duì)多關(guān)系；機(jī)器人類、CMM檢測(cè)儀類、緩沖區(qū)類也是一對(duì)多關(guān)系；托盤類與夾具類和工作類為一對(duì)一關(guān)系。

由于序列圖能夠非常好的展現(xiàn)并記錄一個(gè)未來(lái)系統(tǒng)的行為。在設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品經(jīng)理、系統(tǒng)架構(gòu)師和所有開(kāi)發(fā)者能使用清晰的序列圖，更好的挖掘出系統(tǒng)對(duì)象間的交互，以此來(lái)充實(shí)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 機(jī)器人制造單元控制系統(tǒng)的通信服務(wù)

機(jī)器人制造單元的通信模塊主要分為兩部分。一部分是上位機(jī)與設(shè)備間的通信，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為工業(yè)計(jì)算機(jī)與CNC數(shù)控機(jī)床的通信。另外一部分是設(shè)備與設(shè)備間的通信，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為CNC數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人的通信。

2.1 工業(yè)計(jì)算機(jī)與CNC數(shù)控機(jī)床的通信

針對(duì)第一部分工業(yè)計(jì)算機(jī)與CNC數(shù)控機(jī)床的通信，加之現(xiàn)在主流的數(shù)控系統(tǒng)如法拉克(FANUC)、FAGOR、SIEMENS、HEIDENHAIN等都給用戶提供了動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)（所謂的開(kāi)發(fā)包），所以主要解決方法是利用CNC數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)給用戶提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)。而且，主流的數(shù)控系統(tǒng)能夠支持RS232、RS485、總線和工業(yè)以太網(wǎng)等多種接口。

首先根據(jù)不同的接口類型選擇相應(yīng)的函數(shù)打開(kāi)與設(shè)備的連接，此時(shí)會(huì)為設(shè)備分配一個(gè)端口號(hào)。然后使用讀取PLC變量的函數(shù)讀取機(jī)床是否在運(yùn)行的變量。如果變量標(biāo)示機(jī)床正在加工，那么等待；相反變量標(biāo)示機(jī)床不在加工，那么使用發(fā)送數(shù)控程序的函數(shù)發(fā)送程序，然后再使用調(diào)用執(zhí)行鍵的函數(shù)，執(zhí)行剛才發(fā)送的數(shù)控程序。

2.2 CNC數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人的通信

對(duì)于CNC數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人的通信，可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的宏程序與機(jī)器人的程序相互配合,主要是通過(guò)IO接口來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸與反饋。在機(jī)器人制造單元中，機(jī)器人主要執(zhí)行的操作是裝載工件和卸載工件。那么在宏程序體系結(jié)構(gòu)中，主要分為三部分。第一部分，通知機(jī)床裝載工件；第二部分，執(zhí)行加工程序；第三部分，通知機(jī)床卸載工件。裝載和卸載操作涉及到協(xié)同控制的問(wèn)題，這一部分必須給出相應(yīng)的控制。

3 機(jī)器人制造單元控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于以上的研究，成功組建出基于兩臺(tái)CNC機(jī)床（FAGOR數(shù)控系統(tǒng)）和一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)器人制造單元，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的加工過(guò)程。

以機(jī)器人為中心，環(huán)繞著兩臺(tái)CNC機(jī)床和一個(gè)物料區(qū)。工作人員可以在物料區(qū)進(jìn)行上下料。圖2和圖3分別是機(jī)器人制造單元的生產(chǎn)訂單管理軟件和生產(chǎn)運(yùn)行控制軟件，開(kāi)發(fā)環(huán)境為C#和SQL SERVER 2008 R2。

圖2 機(jī)器人制造單元生產(chǎn)訂單管理軟件

圖3 機(jī)器人制造單元生產(chǎn)運(yùn)行控制軟件

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，在本文控制系統(tǒng)下，機(jī)器人制造單元能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。接下來(lái)的研究工作重點(diǎn)在于兩點(diǎn)：1.運(yùn)用機(jī)器人制造單元加工某種產(chǎn)品；2.在機(jī)器人制造單元中，引入各種設(shè)備，提高機(jī)器人制造單元控制系統(tǒng)的靈活性和配置性。