基于PLC數控車床上下料機器人軟件設計

孟金偉，李 紅，何 青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

在現代化工業中，自動化已成為現代化生產制造的突出主題，其中機器人是自動化產業發展的主流趨勢。在工業生產中，機器人不但可以提高工業生產效率和改善產品質量，而且可以代替人類完成重復、枯燥、危險的工作，從而可減輕人類的勞動強度，發揮不可替代的作用[1-3]。近年來，數控機床與機器人相結合已經成為重要的發展方向，在美國、日本、德國等國家，機器人已經在控制系統的控制下，實現了零件加工過程的柔性自動化。

數控機床與機器人的結合有效地提高了加工產品的質量和效率。但是，我國的大規模生產車間大部分仍然依靠人工搬運和裝卸工件，人工生產線已經滿足不了生產自動化的發展要求。因此，結合數控機床實際結構和機器人技術，設計可靠性高、抗干擾能力強等優點的機床上下料機器人控制系統顯得尤為重要[4-8]。

為了控制機器人和數控機床之間進行有序工作，首先要解決數控機床和機器人之間如何保持有效、可靠的信息傳遞。文獻[9]提出經濟型車床自動上下料氣動機械裝置，但缺乏與數控車床的通信手段[9-10]，所選擇的機床夾具和電氣控制軟件、硬件必須預先經過自動化改造。在機器人方面，工業機器人和桁架機械手的自動上下料系統在機床行業應用越來越廣泛。文獻[10]提出與工業機器人相比，搭配桁架機械手的機床上下料系統由于桁架機械手的自由度限制，通常只能針對單臺機床以及單機床布局，該方式存在設備占地面積大、結構復雜、維修不便等問題，不利于自動化流水線生產和產品結構調整，難以適應市場需求。因此，急需具有較高靈活性、較高自動化水平的機床上下料設備[10-11]。

本文將PLC技術應用于數控車床自動上下料控制系統，根據設計的工作流程完成PLC接口配置和PLC編程、機器人編程等軟件設計。PLC通過I/O接口接收來自機器人和數控車床的信號，并分別向機器人、數控車床等發送指令，使兩者協調工作，實現高效、穩定的上下料工作過程，適應現代機械行業自動化產業的要求。

1 數控車床上下料機器人系統

1.1 系統組成

數控車床上下料機器人系統由上下料機器人、機器人控制柜、數控車床、PLC 控制柜、光幕、光電傳感器、急停按鈕、上下料區等構成，數控車床上下料機器人的主要構成如圖1所示。PLC是數控車床上下料機器人的核心，它支配機器人、數控車床、上下料區協調工作。上下料機器人的作用是在數控車床和料區之間搬運工件。數控車床則負責根據加工程序對工件進行加工。光幕可以保護操作員工和設備的安全，當有人或物體進入光幕保護范圍時，會觸發光幕報警。上料區和下料區分別用來存放未加工和已經加工好的工件。在數控車床上下料機器人設計過程中，根據其所能實現的功能要求，并參考實際生產中的工作環境，對數控車床上下料機器人的設備進行選型。

圖1 數控車床上下料機器人主要構成

1.2 工作流程

為了使工作站安全運行，在啟動之前系統會判斷機器人、上下料區和數控車床是否符合運行條件，首先需要判斷工作站上下料區情況，其次判斷機器人是否在工作原點，且抓手處于張開狀態，機器人無報警，再判斷數控機床是否處于就緒狀態。判斷符合運行條件之后開始啟動，PLC將根據梯形圖程序控制機器人上料、下料動作，并控制數控車床開門、夾具夾緊、關門、開始加工、開門、夾具松開等動作，保證機器人和數控車床按照工作流程協調工作，其工作流程如圖2所示。

圖2 數控車床上下料工作流程

1.3 硬件配置

數控車床上下料機器人的硬件配置包括機器人與PLC的I/O口的配置、傳感器和開關與PLC的I/O口的配置。

1.3.1 PLC輸入接口

PLC輸入接口主要作用是接收來自機器人、數控車床、安全光幕、上下料區傳感器、外部開關按鈕等發出的信息，并將其轉換為自身內部CPU可以識別的信號，傳輸到CPU中進行運算處理。

PLC輸入接口的電路圖配置可以實現如下功能。

(1) 機器人可以通過PLC輸入口線路向PLC發出狀態信息，如運行中、主程序首項、發生報警/錯誤、伺服接通、電池報警、作業原點等。

(2) 外部開關按鈕可以向PLC發出啟動、復位、暫停等指令，進而控制上下料機器人的運動狀態。

(3) 安全光幕可以向PLC發出報警信號，保護操作員工和設備的安全，當有人或物體進入光幕保護范圍時，會觸發光幕報警，安全插銷自動彈出，工作站停止運行。

(4) 上下料區傳感器可以向PLC反映料區工件數量。

(5) 數控車床可由此向PLC發出門開到位、門關到位、加工完成、機床就緒、機床故障等信號。

1.3.2 PLC輸出接口

輸入信號經過CPU的運算處理，PLC從輸出接口向數控機床、機器人、蜂鳴器、警示燈發出執行信號，PLC輸出接口的配置可實現如下功能。

(1) PLC向數控車床發出機床加工開始、請求機床開門、請求機床關門、請求夾具夾緊、請求夾具松開等指令。

(2) PLC向機器人發出外部啟動、機器人伺服使能、主程序調出、機床開始搬運、報警/報錯復位、急停等指令。

(3) PLC發送驅動蜂鳴器和警示燈指令。

數控車床上下料機器人中PLC輸入接口的電路對應的I/O接口配置如表1所示。

2 系統軟件設計

數控車床上下料機器人的軟件設計包括PLC控制程序的編寫和機器人程序的編寫兩個部分。根據數控車床上下料機器人的工作流程，PLC控制程序編寫采用梯形圖編程方法完成。機器人程序編寫采用了示教編程方法用示教器完成編寫[10]。

數控車床上下料機器人主流程圖和機器人上料流程圖如圖3所示，下料流程與上料流程相似。

2.1 PLC控制程序

PLC的控制程序根據數控車床上下料機器人的工作流程進行編程，其作用是控制工作站的協調工作，梯形圖程序可分為準備模塊、上料模塊、下料模塊、報警模塊、復位模塊等。

上料模塊和下料模塊程序的梯形圖如圖4所示。

(1) 準備階段：為了使數控車床上下料機器人安全運行，編寫梯形圖時需要考慮工作站是否符合運行條件。首先需要判斷上下料區情況，保證上料區滿料，下料區料槽為空。判斷機器人是否在工作原點，且機械抓手處于放松狀態，機器人無報警。保證數控車床處于就緒狀態，主軸停轉，卡盤上為空，并且數控車床本身沒有處在報警狀態。

(2) 報警：當有人進入數控車床上下料機器人工作區、機器人內部報警、機器人電池報警或機床故障時，PLC程序會發出報警，數控車床上下料機器人停止運行，并驅動外部警示燈(紅)和蜂鳴器報警，提示工作人員及時檢查并處理故障。

(3) 復位：數控車床上下料機器人系統發生報警后，急停按鈕被按下，當工作人員排除故障后，可按復位按鈕進行復位，使其繼續工作。

表1 PLC輸入輸出接口配置

(4) 機器人的啟動：當準備就緒后，機器人便可進入啟動狀態啟動。

(5) 機器人程序調用：在外部準備就緒、機器人已啟動的情況下，機器人伺服接通，而后選擇主程序調出，開始執行搬運程序命令。

圖3 數控車床主流程及其上料流程

圖4 機器人上料和下料梯形圖程序

(6) 機器人上料：在機器人程序啟動后，按照設定好的搬運程序進行機器人上料取料動作，當機器人走到距數控車床正前方50 cm時，向PLC發出機器人上料取料完成信號。PLC向數控車床發出開門信號，然后向機器人發出機器人開始搬運信號。上料完成發出機器人上料完成信號。

(7) 數控車床開始加工：在PLC接到上料完成信號后，向數控車床發出請求機床加工開始信號，數控車床收到加工開始信號后開始加工，直到加工完成再發信號給PLC。

(8) 機器人下料：PLC接到數控車床發出的加工完成信號后，機器人發出開始搬運信號，機器人開始下料取料。當機器人完成下料取料時，機器人會發出下料取料完成的信號給PLC，讓數控車床關門。數控車床關門到位后，PLC繼續向機器人發送機器人開始搬運信號，把加工好的工件放到下料區，并回到工作原點的位置。這時機器人發出搬運完成的信號給PLC，整個搬運過程結束。

2.2 機器人控制程序

機器人程序控制機器人進行工件加工，并且可以控制機器人向PLC發出一定的指令信號。機器人程序可分為主程序和抓手張開子程序兩部分。

(1) 主程序：主程序主要控制機器人的移動和在特殊位置向PLC發送信號。包括機器人移動至上料區工件抓取點，移動至下料區工件抓取點，移動至機床夾具加持工件點，移動至中間路徑指定點，機器人向PLC發送請求開門、請求關門、上料完成和下料完成等信號。

(2) 抓手張開子程序：控制機械抓手的張開與夾緊。將PLC程序傳輸到PLC中，將機器人程序輸入到機器人中，接通電源，運行控制程序，PLC判斷數控車床上下料機器人準備就緒后，向機器人發出開始搬運指令，機器人根據指令依次完成上料、送料、取料等動作。數控車床在PLC的控制下完成開門、關門、夾具松開、夾具夾緊、開始加工等動作。再次啟動工作站，測試急停按鈕，安全插銷，警示燈等報警工作性能。調試結果表明，數控車床上下料機器人能夠按照程序設定的指令精準地完成整個上下料過程。

3 結語

(1) 本文首先設計出合理的數控車床上下料機器人工作流程，根據工作流程完成PLC接口和機器人、數控車床等硬件配置。數控車床上下料機器人還配備有光幕報警裝置和安全插銷、急停按鈕與PLC連接進行信息傳輸，預防突發事件的發生，保證了數控車床上下料機器人有序運行。

(2) 數控車床上下料機器人的軟件設計采用PLC作為控制系統，并采用梯形圖編程方法完成PLC控制程序，采用示教編程方法用示教器完成機器人程序的編寫。

(3) 調試結果表明，機器人能夠按照程序預設的動作安全、平穩、精準地運行。這套基于PLC的機床自動上下料機器人系統具有高度的自動化水平，使機床能夠滿足快速、大批量的生產要求，同時改善了工人工作環境、節省了人力資源成本、提高了機床利用率。