工業機器人自動上下料控制系統的設計*

□ 張 琛 □ 倪受東 □ 張 靜

1.南京工業大學機械與動力工程學院 南京 211800

2.南京工業大學先進材料研究院 南京 211800

1 設計背景

工業機器人模仿人的手臂，按照設定的路徑等參數進行物件的抓取、搬運及其它動作，是目前工業自動化生產中常用的設備之一。筆者所研究的工業機器人自動上下料系統，是在閥門殼體加工生產線中通過設定好的可編程序控制器（PLC）來控制工業機器人的動作，實現三臺機床的自動上下料。由于此項操作重復性強、工作強度高，手工操作不能滿足大批量生產的實際需求，而工業機器人可以快速準確地長時間作業，重復定位精度高，環境適應性好，可以極大地提高生產效率。可見，工業機器人可以用高精度智能化的操作代替人力[1]，所以對工業機器人的柔性控制系統進行研究，并將其應用到工廠實際生產中很有必要。

2 上下料系統組成及工藝流程

筆者選用安川MS165機器人來完成閥門殼體加工生產線的自動上下料。安川MS165工業機器人是一款高效率、多功能工業機器人，主要由本體、驅動系統、控制系統和示教器四個基本部分組成[2]，具有兩個抓手。

根據工藝流程，閥門殼體需要在數控車床、液壓組合鉆床、數控磨床等三臺機床上依次進行加工。殼體毛坯首先通過進料傳送帶運送到指定位置，由工業機器人抓取并經過數控車床（1號）、液壓組合鉆床（2號）、數控磨床（3號）依次加工，最后通過出料傳送帶完成相關的操作。根據閥門殼體加工工藝流程，建立了如圖1所示由傳送帶、工業機器人及其控制系統，以及三臺機床組成的自動上下料加工生產線，現場輔以加工自動線安全圍欄。

閥門殼體生產線的工藝流程為：① 進料，1號殼體由進料傳送帶運送到相應位置；②1號機器人抓手打開，抓取1號殼體后關閉；③ 2號殼體進入相同的位置，2號機器人抓手打開，抓取2號殼體后關閉；④ 進入機械加工工藝流程，1號機床、2號機床、3號機床依次完成相關工序的加工；⑤ 1號機器人抓手打開，然后2號機器人抓手打開，出料。在進料口和出料口由傳感器控制實現兩端的限位功能。由于工藝流程需要，在2號機床與3號機床中間設置中轉臺裝置，結構為臺階型的V形塊，用于殼體的掉頭裝夾[3]，即當工件在2號機床加工完成，工業機器人將殼體取出后，借助中轉臺裝置換夾殼體另一端。兩個殼體經過三臺機床的依次加工后，通過工業機器人的準確放置由出料傳送帶送出。

▲圖1 生產線平面示意圖

3 機械結構設計

為提高生產效率，采用雙工位非標夾具設計機器人抓手。殼體進入機床前，機器人先將未加工殼體夾持在1號工位上，然后旋轉180°，使用2號工位抓取另一個未加工殼體，待兩個殼體全部抓取完畢后，進入機床加工系統。

氣壓傳動系統由過濾器、減壓閥、單向閥、電磁換向閥、儲氣罐等元件組成。為滿足加工不同型號殼體的裝夾需求，抓手不直接安裝在機器人上，而是通過快換接頭連接。壓縮空氣利用四通連接管分為三條氣路，其中兩條氣路分別用于控制兩個抓手打開和關閉，第三條氣路用于控制快換接頭連接與斷開。由三位五通電磁換向閥控制抓手氣缸的換向[4]。電磁換向閥線圈A得電后，壓縮空氣進入兩個夾持氣缸的右腔，推動活塞桿向左運動，夾緊殼體。反之，電磁換向閥線圈B得電后，活塞桿向右運動，在彈簧力作用下松開殼體。

機器人抓手的轉動由電磁換向閥、齒條、齒輪和轉動軸共同完成。壓縮空氣通過電磁換向閥分別進入兩個轉動氣缸，推動活塞桿運動。活塞推動齒條運動，齒條再帶動齒輪和轉動軸轉動，從而實現抓手的轉動。

在機械結構設計完成后，根據上下料機器人的整體結構及項目實施的具體原理，通過示教器模擬設計控制要求和運動動作，進而設計人機界面，編制梯形圖，將人機界面導入觸摸屏，并將梯形圖導入PLC[5]。觸摸屏與PLC相連，操作者控制觸摸屏，觸摸屏控制PLC動作，PLC根據程序向執行件發送信號，控制執行件的運動，實現閥門殼體生產線的運行。工業機器人控制系統原理如圖2所示。

4 控制系統設計

PLC通過數字或模擬輸入輸出信號控制整個機械生產過程。選擇三菱L02CPU型PLC作為工業機器人的控制器，根據具體的控制要求向各個控制對象分配輸入輸出地址，并且在進出料傳送帶上加以光電傳感器、減速器等輔助裝置。選用的三菱L02CPU型PLC具有較多的輸入輸出點、較強的模塊拓展能力、較快的運算速度、較好的內部集成特殊功能，內置RS-USB、Ethernet，能夠滿足工業機器人柔性控制系統的需求。光電傳感器用來檢測殼體在傳送帶上的位置，然后將信號反饋給PLC，其它控制模塊包括開關、警報等[6]。PLC控制系統電氣原理圖如圖3所示。

傳送帶由電機經減速器拖動實現運行，由接觸器控制電機的正反轉。電機的正反轉決定了傳送帶的運轉方向，同時在上下料傳送帶的邊緣處設置傳感器，控制電機的停止。工件的定位通過設置行程開關來實現，非標機械夾具的夾緊功能通過控制電磁換向閥驅動氣缸來實現。

使用Gx-works2編程軟件梯形圖編輯器創建程序，編寫完程序之后便可以進行相關的仿真調試。當確認程序無誤后，將所有程序下載至PLC[7]。在Gx-works2環境下，對控制程序進行組合編輯后，通過電纜下載至PLC的中央處理器模塊，接通電源，運行控制程序，觀察工業機器人的運動情況。試驗結果表明，工業機器人執行動作符合預先的設定要求，控制電路與控制程序運行安全可靠。PLC部分梯形圖如圖4所示。

▲圖2 機器人控制系統原理

▲圖3 PLC控制系統電氣原理圖

▲圖4 PLC部分梯形圖

▲圖5 工業機器人現場調試

由于安川機器人的結構為多關節式，因此使用示教盒可以針對處于工作原點的機器人，用手動按鍵示教其在今后工作中所要完成的動作。觸摸屏的主要程序包括設備初始化、界面程序、參數設置、模式選擇和系統管理等，作為人機界面，觸摸屏可以接收PLC操作指令，并顯示控制柜的系統狀態?；诎泊C器人示教器，在設計完成后進行關鍵位置點的示教及調整，實現機器人在手動模式進行取料、搬運及其它動作，最后實現與PLC信號交換，然后進行仿真模擬，進而完善機器人程序[8]。通電前再次確認各氣缸及傳感器的初始狀態，檢查機器人的硬件連接是否正確。確定無誤后通電并載入程序，根據示教好的點進行程序調試[9]。工業機器人現場調試如圖5所示。

5 結束語

閥門殼體生產線經過調試后，已實際投入生產使用，整條生產線安全平穩運行，能夠連續工作。這套基于PLC與工業機器人的自動化上下料系統具有高度的自動化水平，可以大大減輕工人的勞動強度[10]，極大地提高了閥門殼體的加工效率。