KUKA制孔機器人自動換刀系統設計

朱衛國，齊 琦

(安徽建筑大學a.機械與電氣工程學院，b.電子與信息工程學院，合肥 230601)

在以往的工業加工生產過程中，需要對大型的工件進行制孔加工，由于傳統的數控機床加工方式單一，往往無法靈活地完成此項任務，而且在加工過程中需要人工輔助，加工效率和成品工件的質量由工人的技術水平所決定，導致加工生產線效率低，工件加工的精度和可靠性不高，無法滿足用戶的實際需要。隨著時代的不斷發展，工業機器人被廣泛地應用到各種領域，對應不同生產線的要求，工業機器人可以分為多種類型并具有各種功能。制孔機器人可以提高制孔加工速度和精度，同時它可以適應各種復雜、惡劣的工作環境[1-5]。

我們根據大型工件加工制孔的實際情況，對機器人制孔換刀系統進行了研究，設計出一款自動換刀系統：選用六自由度的工業機器人，主軸末端安裝制孔執行器，它具有對工件識別、定位、檢測、壓緊、鉆孔和排屑等功能。在以往的實際加工過程中，由于待加工工件的材料差異、制孔大小不同以及刀具的磨損，需要對刀具進行頻繁更換，而此款自動換刀系統可以與機器人相配合，不僅可以縮短非制孔時間，進一步提高生產效率，而且可以降低生產投入和人力資源的成本。

1 自動換刀系統的硬件結構

自動換刀系統包括斗笠式刀庫、西門子PLC S7-1200，西門子交換機CSM1277，KUKA機器人控制柜及機器人。西門子PLC作為主站，KUKA機器人控制柜作為從站；通訊協議選用PROFINET協議；系統總線選用RJ45雙絞線。KUKA機器人控制柜通過KLI接口與西門子交換機(CSM1277)相連接，同時配備控制PC對自動換刀系統和運行狀態進行組態及監控。自動換刀系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 自動換刀系統網絡拓撲結構

自動換刀系統包含以下兩個主要部分。

(1)刀庫。斗笠式刀庫由圓形刀盤和驅動裝置組成。圓形刀盤最多可容納12把刀具，每個位置的刀具都有編號。刀庫驅動裝置由伺服電機及減速器組成，伺服電機轉動圓形刀盤將刀具轉到待卸/取刀具位置，再由機器人主軸制孔執行器卸下刀具到刀庫中，或從刀庫拾取刀具到機器人主軸制孔執行器。

(2)機器人系統。外部卸/取刀裝置由西門子PLC S7-1200，控制PC，KUKA機器人控制柜和機器人組成，用戶通過控制PC發送換刀指令，PLC與機器人控制柜進行通訊，將具體任務傳送至機器人控制柜，控制機器人作出相應的響應，從而實現換刀操作。

2 自動換刀系統的硬件配置及程序設計

2.1 斗笠式刀庫

2.1.1 斗笠式刀庫的配置

本系統刀庫中放置了不同規格的鉆頭、錐絲等10把刀具，并配備對刀機構。鉆孔攻牙斗笠式刀庫如圖2所示(攻牙范圍M3-M12)。

圖2 鉆孔攻牙斗笠式刀庫

刀庫的特點：①鉆孔攻牙斗笠式刀庫分度盤采用鋁合金材料，具有重量輕、體積小、易于安裝的優點；②特殊的彈簧夾爪，夾刀時更穩定；③選刀、換刀精度高，運行平穩，沖擊性??；④適用于BT，CDT，CAT，HSK型刀柄。

選用西門子S7-1200 CPU 1214C PLC對斗笠式刀庫驅動裝置進行控制[6-8]，由PLC對刀庫進行相應輸入/輸出分配，定義的輸入/輸出點分配如表1所示。

表1 刀庫與PLC輸入/輸出點分配表

2.1.2 刀庫卸刀的程序設計

(1)用戶通過控制PC對系統進行換刀操作，系統啟動PLC，PLC接收到卸刀任務指令，并進行卸刀操作。同時PLC讀取主軸末端制孔執行器當前刀具號，即待卸刀具號，將數據傳送到存儲器MW2中。

(2)PLC讀取刀庫待卸/取位置的當前刀具號，將數據傳送到存儲器MW0中，并對待卸刀具號和刀庫待卸/取位置的當前刀具號進行比較。①當MW2>MW0，則進行運算MW2-MW0，將其結果數據傳送到存儲器MW4中。若MW4<5，則伺服電機驅動刀盤按照正方向轉動；若MW4>5，則伺服電機驅動刀盤按照反方向轉動，將待卸刀具轉到刀庫待卸/取位置。②當MW2=MW0，即待卸刀具號與刀庫待卸/取位置的當前刀具號相同，無需轉動刀盤。③當MW25，則伺服電機驅動刀盤按照反方向轉動。將待卸刀具轉到刀庫待卸/取位置。

(3)PLC對待卸刀具號與刀庫待卸/取位置的當前刀具號進行確認，確認無誤后，由外部機器人進行卸刀操作。

2.1.3 刀庫取刀的程序設計

(1)用戶通過控制PC對系統進行換刀操作，系統啟動PLC，PLC接收到取刀任務指令，并進行取刀操作。同時PLC讀取刀庫待卸/取位置的當前刀具號，將數據傳送到存儲器MW0中。

(2)PLC讀取待取刀具號，將數據傳送到存儲器MW2中，并對待取刀具號和刀庫待卸/取位置的當前刀具號進行比較。①當MW2>MW0，則進行運算MW2-MW0，將其結果數據傳送到存儲器MW4中。若MW4<5，則伺服電機驅動刀盤按照正方向轉動；若MW4>5，則伺服電機驅動刀盤按照反方向轉動，將待取刀具轉到刀庫待卸/取位置。②當MW2=MW0，即待取刀具號與刀庫待卸/取位置的當前刀具號相同，無需轉動刀盤。③當MW25，則伺服電機驅動刀盤按照反方向轉動。將待取刀具轉到刀庫待卸/取位置。

(3)PLC對待取刀具號與刀庫待卸/取位置的當前刀具號進行確認，確認無誤后，由外部機器人進行取刀操作。

2.2 機器人系統

2.2.1 機器人的配置

選用型號為KR60的KUKA機器人對大型工件進行自動制孔加工，這款工業機器人采用KRC4控制管理系統，它集智能化的機器人操作過程控制、邏輯過程控制、運動過程控制、安全控制和工藝流程管理控制于一體，控制系統的各個模塊之間可以相互實時通信，也可利用以太網實現快速通迅，數據的傳輸及信號通信有專門的軟件安全防火墻，使得通訊網絡更加安全。在KUKA機器人主軸末端安裝制孔執行器用于完成對斗笠式刀庫待卸/取位置上刀具的卸/取任務，從而實現上級控制器PLC對機器人運動的管理和控制。為此需要在機器人控制柜端配置CELL.SRC程序，以及輸入和輸出端信號的外部自動運行接口，在上級控制器PLC側編輯外部自動程序。機器人控制柜在外部自動程序運行方式下，通過外部自動運行接口與上級控制器PLC進行通迅。上級控制器PLC可以通過外部自動運行接口發送與機器人外部自動運行相關的信號：機器人控制柜的啟動和停止信號、機器人程序啟動和編號信號以及故障確認信號等。機器人控制系統也向上級控制器PLC發送相關的反饋信號，如運行狀態信號、故障狀態信號[9-10]。

2.2.2 KUKA機器人與PLC通訊的配置

KUKA機器人選用PROFINET通訊協議與西門子PLC S7-1200 CPU1214進行通訊，其通訊方式的優點在于，機器人在外部自動運行時需要與上級控制器PLC進行信號的交互，采用PROFINET通訊協議，可以解除機器人和上級控制器PLC的通訊限制，使其信號交互更加穩定[11]。所以，我們建立了一個以西門子PLC為核心、包含KUKA機器人控制柜和機器人的通訊系統。在workvisual軟件中對KRC4控制柜進行PROFINET項目配置：將KRC4的輸入輸出端口映射到PROFINET I/O地址上，將PLC IP地址與KUKA機器人控制柜IP地址改成同網段；在TIA Portal V15軟件中將KUKA機器人硬件分配到PROFINET子網傳送過來的信號映射到PLC IO上，通過MOVE指令完成機器人程序號選擇和程序號選中監控。

2.2.3 KUKA機器人任務程序的編寫

換刀任務可分為刀庫卸刀任務和刀庫取刀任務。主軸末端制孔執行器無刀，取刀任務；主軸末端制孔執行器有刀，卸刀任務；主軸末端制孔執行器有刀卸刀，再取刀任務。KUKA機器人對這些任務進行模塊化編程，與上級控制器PLC進行信號交互，保證機器人的運動與刀庫的卸/取刀指令一致，實現機器人在接收到上級控制器PLC的任務信號時可以對其信號做出相應的動作，配合刀庫完成卸/取刀具任務[12]。在遇到緊急故障的時候，上級控制器PLC有相應的中斷程序對故障進行處理。主要交互信號表如表2所示。

表2 主要交互信號表

3 自動換刀系統卸/取刀功能的實現

自動換刀系統需要各個部分協調工作才能完成自動換刀任務，系統控制流程圖如圖3所示。

圖3 自動換刀系統控制流程圖

(1)用戶通過控制PC對系統進行換刀操作，系統啟動PLC，同時PLC啟動KUKA機器人做換刀操作準備。

(2)機器人對主軸末端制孔執行器進行刀具檢測，若無刀具，上級控制器PLC對機器人發出主軸末端制孔執行器無刀，取刀任務；同時上級控制器PLC對刀庫、機器人發送取刀任務。刀庫驅動裝置將待取刀具轉至刀庫待卸/取刀具位置，上級控制器PLC確認后，對機器人發送取刀任務，主軸末端制孔執行器到達待卸/取刀位置，機器人完成取刀。機器人向上級控制器PLC發送主軸末端制孔執行器取刀應答；同時機器人對所取刀具號與目標刀具號再次進行比較，確認無誤后，發送任務完成確認信號。

(3)機器人對主軸末端制孔執行器進行刀具檢測，若有刀具，再進行卸刀后是否取刀的判斷，若卸刀后無需取刀，上級控制器PLC對機器人發出主軸末端制孔執行器有刀，卸刀任務；同時上級控制器PLC對刀庫、機器人發送卸刀任務。刀庫驅動裝置將待卸刀具轉至刀庫待卸/取刀具位置，上級控制器PLC確認無誤后，對機器人發送卸刀任務，主軸末端制孔執行器到達待卸/取刀位置，機器人完成卸刀。機器人向上級控制器PLC發送主軸末端制孔執行器卸刀應答；同時機器人對所卸刀具號與目標刀具號再次進行比較，確認無誤后，發送任務完成確認信號。若卸刀后再進行取刀，上級控制器PLC對機器人發出主軸末端制孔執行器有刀卸刀，再取刀任務；同時上級控制器PLC對刀庫、機器人發送卸刀任務。刀庫驅動裝置將待卸刀具轉至刀庫待卸/取刀具位置，上級控制器PLC確認后，對機器人發送卸刀任務，主軸末端制孔執行器到達待卸/取刀位置，機器人完成卸刀。機器人向上級控制器PLC發送主軸末端制孔執行器卸刀應答。此時上級控制器PLC再對刀庫、機器人發送取刀任務。刀庫驅動裝置將待取刀具轉至刀庫待卸/取刀具位置，上級控制器PLC確認后，對機器人發送取刀任務，機器人完成取刀。機器人向上級控制器PLC發送主軸末端制孔執行器取刀應答；同時機器人對所取刀具號與目標刀具號再次進行比較，確認無誤后，發送任務完成確認信號。

4 制孔機器人配備裝置及生產車間設計

在實際加工生產中，可以在機器人的底部加裝水平移動工作臺，方便制孔機器人進行卸/取刀和制孔加工的操作，機器人移動工作臺如圖4所示。

圖4 機器人移動工作臺

由于機器人的工作范圍有限，可以配置柔性翻轉裝置，將待加工工件放入設備艙中，這樣制孔機器人進行制孔作業時，艙體可以隨著柔性翻轉裝置進行0°～360°轉動，實時調整設備艙，將設備艙調整到合適的位置，以方便制孔作業。柔性翻轉裝置如圖5所示。

圖5 柔性翻轉裝置

工件加工完成后需要進行搬運，對于體積較大、質量較重的工件，可以增加移動吊臂對其進行轉移。移動吊臂如圖6所示。

圖6 移動吊臂

制孔機器人加工車間的效果圖如圖7所示。

圖7 制孔機器人加工車間效果圖

5 結論

本文針對大型工件制孔加工存在效率不高、難以控制其加工精度的現狀，設計了KUKA制孔機器人自動換刀系統，相對于傳統的制孔加工程序，機器人自動換刀系統具有更高的效率和精度，同時換刀操作簡單、安全。