機器人輔助機械加工單元控制系統設計

張茂林 魏志賓

摘要：科技的進步，促進工程建設事業得到快速發展。機器人輔助機械加工在國內外航空制造業中已經大量使用。如2001年，美國Electroimpact公司設計了一套機器人自動鉆削系統，用于波音F/A-18E/F的機翼后緣襟翼的制孔和锪孔;空客公司利用機器人較大的工作空間、復雜的運動軌跡、高的重復精度和運動協調能力，從而實現飛機隔音板蒙皮的成型加工。然而在航空修理企業，由于行業自身特點及特殊性，還沒有機器人輔助機械加工的方案，解決小批量多品種標準件的生產問題。本文就機器人輔助機械加工單元控制系統設計展開探討。

關鍵詞：機器人;控制系統;自動上下料

引言

通過將機器人與數控機床集成在一起形成一個柔性制造單元或柔性制造系統，根據不同零件的特點采用不同的末端執行器來完成工件的上下料，縮短機床輔助時間，提高產品質量穩定性，這將是生產制造小批量多品種零件的必然發展趨勢。作者從滿足小批量多品種零件的生產節奏需求出發，建立了基于PLC控制系統的機器人輔助機械加工單元，實現了柔性化智能化機械加工，進而提高了零件的生產效率，保證了零件質量一致性。

1工業機器人的發展背景

工業機器人是一種能夠在三維空間中實現各種預期動作的自動化生產設備，它可以完成各種仿人操作，可以進行反復編程，可以實現控制自動化，是機電一體化產物，非常適合柔性生產線。它由機械本體、驅動器、控制器和反饋裝置組成。工業機器人應用的普及，改善了工人的工作環境，提高了產品加工效率和質量，對于我國制造業發展有著顯著的意義。在當代，機器人領域的研究是非常活躍的，將會越來越受到國家的重視。機器人技術涵蓋了各種學科，包括了機構學、電子學、信息學、計算機技術、傳感器技術、人工智能等，它象征著我國工業自動化水平的高低。工業機器人不但可以替代工人的手工操作，而且能夠明顯提高加工產品的質量，進而促進我國先進制造技術的發展，它是自動化生產線上必不可缺的設備。另外，工業機器人能夠對外部環境狀態進行判斷，并快速做出相應的應對策略，能夠高精度、長時間連續工作，還能夠抵抗惡劣的工作環境。工業機器人的價格將逐漸降低，但是使用量將不斷增長，它將促使工業領域變得更加有效。另外，工業機器人己經和計算機輔助設計（CAD）系統、計算機輔助制造（CAM）系統結合在一起應用了，這也是現代制造業自動化的最新發展趨勢，這種技術正在引導工業自動化向一個新的領域過渡。工業機器人開始出現于1960年末，到現在為止己經有50多年的發展歷史了，在這段時間里機器人技術己經取得了巨大的發展。機器人的發展分為三個階段，第一代示教重現工業機器人：這是一種比較簡單的工業機器人，以工作人員牽引機器人末端執行器方式進行示教，主要用于不要求精確軌跡的簡單點位控制場合。這類工業機器人的控制方式比較簡單，成本也比較低。第二代帶感覺的工業機器人：這是一種比較復雜的工業機器人，一般集成有內部信息傳感器和外部信息傳感器，通過這些傳感器信息的融合來識別自身以及外部環境參數信息。這類工業機器人的控制方式和智能程度都要遠比示教再現型高第三代智能工業機器人：這是目前研究領域內最復雜的工業機器人，具有和人類似的思維能力，能夠對一些突發情況做出合理的決策。這類工業機器人的控制方式最復雜，需要使用智能控制方法。

2機器人輔助機械加工單元結構組成

機器人輔助機械加工單元由一臺發那科機器人、2臺數控機床（GT27、CK7516）、末端抓手夾具、毛坯輸送機、轉料臺（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機器人移動導軌、控制系統等組成，具體的單元布局如圖1所示。系統采用PLC電氣控制和氣動控制相結合的控制方式。PLC控制著整個單元各個模塊間相互配合動作;氣動系統則以壓縮空氣為氣源，通過電磁換向閥來實現氣動執行機構的往復運動。機器人輔助加工單元控制過程如圖2所示。

3機器人輔助加工單元

機器人輔助加工單元由1臺機器人完成對2臺機床進行上下料的作業。整個單元包括機器人、2臺數控機床、機器人末端抓手夾具、毛坯輸送機、轉料臺（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機器人移動導軌、PLC系統控制器。

4控制系統軟件設計

4.1PLC軟件設計

在此系統中，PLC程序設計主要分為兩部分，自動控制運行和手動控制運行。自動控制主要是通過觸摸屏按鈕啟動后，系統能夠完成整個單元的機器人輔助數控機床上下料作業，其中包括毛料的自動頂升、機器人抓取毛料、機器人抓取半成品、各類氣缸往復動作等。手動控制原理較為簡單，通過觸摸屏可以單個控制整個單元各個模塊的動作。PLC軟件主體架構流程圖如圖3所示。

4.2觸摸屏軟件設計

根據機器人輔助機械加工單元的整體控制流程及實際生產操作要求，設計了主界面、手動控制、輸入監控、輸出監控等軟件模塊，其觸摸屏界面如圖4所示。

5氣動控制回路設計

機器人輔助機械加工單元的氣動控制回路如圖5所示。氣動系統是由氣源處理裝置、電磁換向閥、調速閥、氣缸以及各種快速接頭等組成。氣源系統壓力為（0.5～0.7）MPa，系統中機器人抓手模塊氣缸換向閥采用AIRTAC公司的三位五通電磁閥（型號為4V230C-08-B），機器人輔助裝置模塊氣缸換向閥則采用兩位五通電磁閥（型號為4V210-08-B）。機床1和機床2開門氣缸選用AIRTAC公司的帶磁標準復動型氣缸（型號分別為SI32-700-S，SI32-500-S），棒料定位氣缸、棒料頂升氣缸、棒料抓手氣缸、成品抓手氣缸、傳感器直線氣缸均采用SMC公司產品，型號分別為MI16-20CA、MGPM12-75Z、MHL2-20D、MH-SL3-32D、CXSJM6-40。半成品托盤1氣缸、半成品托盤2氣缸、料盒氣缸均采用CY3R40-800。每一氣缸上分別帶有可調位置的磁性開關（S1、S2型號分別為DS1B1020和D-M9B），用于極限位置的檢測，以實現氣缸伸出與縮回位置的可調節。氣源經過氣動三聯組件后，進入氣動軟管中，通過PLC控制電磁換向閥實現各種氣缸的往復運動。在各氣缸的氣口都裝有單向節流閥主要是為了使氣缸行進速度可調節，且運行平穩，避免啟動時活塞桿突然快速推進而撞擊缸蓋。

結語

機器人輔助機械加工單元控制系統的運用，提高了產品的質量，降低了人力資源成本，滿足了小批量多品種零件的加工需求。

參考文獻

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