基于機器人和數控加工中心的自動化生產線實訓工作站的開發

李 琳

(福建船政交通職業學院,福建 福州 350007)

現代制造業正向自動化、智能化的模式飛速發展，工業機器人是其中不可或缺的重要角色。未來十年我國生產制造業需要大量掌握智能制造和工業機器人技術的高技能人才。高校及職業院校開設了許多相關的專業課和實訓課，以滿足市場對機電控制技術的復合型應用人才的需求。福建船政交通職業學院智能制造實訓中心通過整合資源，在現有實訓設備的基礎上，開發了基于工業機器人和數控機床的自動化生產線實訓工作站，滿足了機械自動化專業教學和實訓的需要。

1 實訓工作站的整體布局設計

實訓工作站以學習PLC控制技術、工業機器人技術、數控加工技術為主要目的，并兼顧觸摸屏及人機交流技術、傳感器技術和氣動液壓技術的學習。為此將實訓系統設計為一個開放式的實訓平臺，以適應機電類不同課程、不同項目的模塊化教學的需求。

本工作站主要由 1 臺數控車床、1 臺數控加工中心、1臺六自由度 ABB 機器人及鏈板式傳送料倉和過渡料倉組成，如圖1所示。其中鏈板式料倉實現物料的自動入庫和輸送，機器人實現物料的搬運、翻轉，數控加工機床完成物料的自動加工作業，下料滑道實現工件的自動出庫。系統工作流程為：啟動系統→系統發布加工任務→鏈板式輸送料倉起動，工件材料自動入庫→機器人取料，氣動抓手抓取工件毛坯至車床夾具→數控車床加工→機器人翻轉物料→數控車床加工→機器人將工件搬運至過渡料倉→數控加工中心接收加工任務→機器人取料，氣動抓手抓取物料至加工中心夾具→加工中心加工→機器人把完工工件轉送至下料滑道→工件自動進行出庫→系統停止工作。

圖1 實訓工作站整體布局設計

本實訓工作站以數控車床和數控加工中心兩個典型加工裝備為核心，六自由度機器人進行上下料搬運工作，通過鏈板輸送式料倉、過渡料倉進行工序間的零件傳送，可完成軸套類、盤蓋類零件的數控車、銑、鉆等自動化協同加工任務，由此設置靈活多變的模塊化、項目式的實訓項目，滿足技能應用型、開發創新型的教學培訓、教改、科研等需要。

2 實訓工作站的關鍵技術設計

為實現物料及工件的自動上下料、自動輸送、自動加工，需要對機器人抓手、傳送料倉、數控機床的夾具等進行設計和改造。以PLC為核心的控制網絡的建立是其中重要的內容，如圖2所示，它必須能覆蓋自動化生產線及機器人的所有流程節點，實現信號采集和處理、伺服驅動定位、運行狀態控制、氣動電磁閥控制、數控機床加工指令控制、指示信號監控等功能。

圖2 PLC主控制器系統的控制網絡

2.1 實訓工作站主控制系統的設計

本設計選用西門子S7-300型號的PLC控制器，其PLC主控制器的控制原理如圖3所示。主控制電路的輸入端通過觸摸屏和按鈕控制系統的啟動和停止；輸出端連接電磁閥組分別控制鏈板式傳送帶的啟停、機器人抓手的夾具氣缸。PLC輸入端連接機器人I/O輸出端，PLC輸出端連接機器人I/O 輸入端，從而實現了機器人與PLC之間的I/O通訊功能，完成系統對機器人的控制。同時PLC的I/O 輸入端還需連接各種信息傳感器：工件狀態傳感器、氣缸狀態傳感器等外部信號，使得主控制器能夠準確及時感知外界的位置和狀態，從而進行邏輯思維和判斷，完成各控制環節的協同工作。

圖3 主控制器PLC的控制原理

2.2 六自由度ABB機器人及其抓手選型設計

本實訓工作站選取ABB IRB4600 型號的六自由度機器人，六個轉軸分別對應六個自由度。機器人六個轉軸相當于機器人的關節均由AC伺服電機驅動，由PLC主控制系統控制伺服驅動系統從而驅動各關節伺服電機，實現機器人的搬運、裝配等運動控制功能，滿足精確定位、準確動作、較大的操作空間和較強的靈活性的要求。為了加強實訓系統的模塊化功能，ABB 機器人可以利用自身攜帶的示教器對機器人的運行軌跡進行編程，具體操作流程如下:①對生產線中機器人的路徑軌跡、抓取和搬運動作進行規劃，重點是機器人路徑軌跡中的目標點集的計算，包括各位移節點、預設的抓取節點、搬運位置等重要節點。②根據目標點集的坐標及機器人運動軌跡對機器人進行編程；并將這些特殊點設置成PLC觸發環節，在PLC的觸發控制下可以實現料倉、機器人及數控車床、加工中心之間的協調作業。在控制系統設計時還應注意：①在抓取和放置、搬運位移點等處設置延時程序，以保證控制過程的連續性和安全性；②機器人每完成一個動作均通過傳感器檢測，并利用閉環反饋環節向PLC發送反饋信號。

在系統控制下，ABB機器人需要在指定時間和指定位置完成抓手的夾緊和松開，對物料和工件進行準確抓取和運送，其末端配置的氣動抓手是非常重要的，氣動抓手要與所抓取的工件相適應，根據生產工藝的需求進行設計制作。系統程序起動時，機械人手臂需轉至料倉上方抓取點位置→下降→松開抓手至工件直徑位置→抓取工件→夾緊→機械手臂上升→轉至機床夾具處→抓手松開工件→機床夾具夾緊工件→抓手退出機床，所有動作由主控制器輸出I/O口的電磁閥組控制的氣缸驅動完成。

2.3 數控機床及其工裝夾具配備

本自動化生產線根據課程體系、實訓要求和學院實訓中心現有的設備選用基于操作面板的緊湊型華中世紀星數控系統HNC-21T、21M的數控車床與數控加工中心各一臺，具有精度高和控制簡單的優點。根據零件的幾何信息、刀具軌跡、工藝參數等編寫加工程序，將程序預先導入數控機床中，通過數控機床與 ABB機器人間的通訊程序，協調數控機床與機器人之間的工作。同時需配置合適的氣動夾具和氣動門，要求在ABB機器人將工件放進機床的夾具前，夾具和機床門都處于打開狀態，待機器人抓手將工件放至機床夾具后，夾具自動夾緊工件，機器人退出機床至安全位置，機床門自動關閉，數控機床完成加工作業，機床門自動開啟，夾具松開，機器人將完工工件轉至下料滑道或過渡料倉等待下一道工序。

3 本工作站完成的主要實訓項目

本工作站可完成坯料自動上下料、自動搬運、自動加工等智能化生產流程，結合生產工藝和裝備、軟硬件開發，可根據人才培養要求開發不同層次的綜合應用實訓項目。目前開發了6個單元的實訓項目，每個項目又包含若干個子任務，便于進行項目式、模塊化的學習的。具體項目如下：

單元一“自動化控制實訓”：①PLC編程、網絡通訊；②組態監控系統建立與應用；③觸摸屏及人機界面的開發應用；④PLC和機器人聯調。單元二“加工信息采集處理實訓”：①傳感器應用；②工位信息終端應用；③系統運行狀態監控；④數控機床數據采集與監控。單元三“工業機器人技術實訓”：①機器人示教與編程；② 機器人關鍵零部件的結構認知；③機器人電氣控制系統的接線及參數設置；④機器人多功能夾具裝調；⑤機器人運行維護。單元四“加工制造系統實訓”：①數控車床編程及程序調試方法；②數控加工中心編程及程序調試方法；③自動夾具安裝、調整與控制；④數控機床運行及維護方法。單元五“系統集成綜合應用實訓”：①機器人與數控機床集成；② 機器人與傳感器集成；③機器人與自動料倉集成。

4 結束語

根據“設備自動化+生產精益化+管理信息化+人工高效化”的建設理念，以數控機床、工業機器人及信息采集管控單元等智能制造裝備為“硬件”系統，結合數字信息技術、智能控制技術、高效加工技術、虛擬仿真技術、工業物聯網技術等“軟件”的綜合運用，是未來智能制造技術的發展方向。本文設計改進的自動化生產線實訓工作站有效解決了目前職業院校設備閑置和設備短缺的矛盾，提升了理論知識和實際操作技能的培養質量，具有一定的推廣價值。