機器人制造單元控制系統研究與實現

廣東東軟學院計算機科學與技術系 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，是制造車間的基本組成單元[1]，它是由特定加工任務的生產物料、工具、環境、機械設備、操作人員和其他輔助設施等的組合[2]，其目標是提高設備利用率、制品庫存及生產柔性[3]來提高產品的品質。目前已經發展到第三代高級智能型工業機器人[4]，它能夠高度的自主適應復雜的生產作業環境，且具有自主學習和決策控制的能力[5]，而且從各方面更接近人類。集成智能化工業機器人實現了工件的自動搬運、自動裝載卸載、臨時存儲等功能，并結合CNC設備、工件庫、CMM(Coordinate Measuring Machine)檢測設備及防護欄等而發展起來的機器人制造單元[6]。

1 系統建模

該系統建模主要包括三大部分:需求建模、靜態建模和動態建模[7]。需求建模就是對系統的業務過程進行分析、總體功能的需求進行分析和對功能進行描述；靜態模型是用系統的類圖來描述的模型；動態模型用一系列序列圖來描述。

根據實際的應用情況分析出機器人制造單元的主要業務流程如圖1所示。

圖1 主要業務流程

將機器人制造單元系統中的類有很多：例如機床類與工作組類和夾具類為一對多關系；機器人類、CMM檢測儀類、緩沖區類也是一對多關系；托盤類與夾具類和工作類為一對一關系。

由于序列圖能夠非常好的展現并記錄一個未來系統的行為。在設計階段，產品經理、系統架構師和所有開發者能使用清晰的序列圖，更好的挖掘出系統對象間的交互，以此來充實整個系統設計。

2 機器人制造單元控制系統的通信服務

機器人制造單元的通信模塊主要分為兩部分。一部分是上位機與設備間的通信，在系統中體現為工業計算機與CNC數控機床的通信。另外一部分是設備與設備間的通信，在系統中體現為CNC數控機床與機器人的通信。

2.1 工業計算機與CNC數控機床的通信

針對第一部分工業計算機與CNC數控機床的通信，加之現在主流的數控系統如法拉克(FANUC)、FAGOR、SIEMENS、HEIDENHAIN等都給用戶提供了動態庫函數（所謂的開發包），所以主要解決方法是利用CNC數控機床的數控系統給用戶提供的動態庫函數。而且，主流的數控系統能夠支持RS232、RS485、總線和工業以太網等多種接口。

首先根據不同的接口類型選擇相應的函數打開與設備的連接，此時會為設備分配一個端口號。然后使用讀取PLC變量的函數讀取機床是否在運行的變量。如果變量標示機床正在加工，那么等待；相反變量標示機床不在加工，那么使用發送數控程序的函數發送程序，然后再使用調用執行鍵的函數，執行剛才發送的數控程序。

2.2 CNC數控機床與機器人的通信

對于CNC數控機床與機器人的通信，可以通過數控系統的宏程序與機器人的程序相互配合,主要是通過IO接口來實現信號的傳輸與反饋。在機器人制造單元中，機器人主要執行的操作是裝載工件和卸載工件。那么在宏程序體系結構中，主要分為三部分。第一部分，通知機床裝載工件；第二部分，執行加工程序；第三部分，通知機床卸載工件。裝載和卸載操作涉及到協同控制的問題，這一部分必須給出相應的控制。

3 機器人制造單元控制系統的實現

基于以上的研究，成功組建出基于兩臺CNC機床（FAGOR數控系統）和一臺工業機器人的機器人制造單元，實現了自動化的加工過程。

以機器人為中心，環繞著兩臺CNC機床和一個物料區。工作人員可以在物料區進行上下料。圖2和圖3分別是機器人制造單元的生產訂單管理軟件和生產運行控制軟件，開發環境為C#和SQL SERVER 2008 R2。

圖2 機器人制造單元生產訂單管理軟件

圖3 機器人制造單元生產運行控制軟件

4 結束語

通過長時間的試驗，在本文控制系統下，機器人制造單元能夠實現穩定的運行。接下來的研究工作重點在于兩點：1.運用機器人制造單元加工某種產品；2.在機器人制造單元中，引入各種設備，提高機器人制造單元控制系統的靈活性和配置性。