基于工業機器人的數控加工智能產線設計

陳文科，周睿舜

（長沙民政職業技術學院 電子信息工程學院，湖南長沙，410000）

數控加工是現代制造業關鍵的一種工藝方法，能夠解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題，被廣泛應用于工程機械、高鐵、航空航天等領域。在數控加工過程中，工件的上下料通常由人工完成，其工作效率相對較低，難以滿足現代工業自動化、智能化要求。此外，人工上下物料的過程存在一定的安全隱患，不利于安全生產。基于此，設計智能化的數控加工產線具有重要意義。

近年來，隨著智能制造技術的不斷發展，工業機器人技術被廣泛應用于工業生產中完成搬運、碼垛、分揀等工作，一定程度上降低了安全風險，同時提高了工業生產效率。將工業機器人應用于數控加工產線中，替換人工完成上下料，一定程度上能夠提高數控加工產線的智能化程度。本文基于國產埃夫特工業機器人設計了數控加工智能化產線，結合西門子PLC 構建基于工業以太網的控制總線，通過PLC 控制工業機器人實現了物料的智能化調度，一定程度上提高了數控加工產線的智能化程度。該產線采用模塊化結構設計，具有安裝、拆卸靈活，既可以用于工業現場實際生產，又可以用于學校實訓教學，有效解決了教學項目滯后于生產實際的問題。

1 系統整體設計

基于工業機器人的數控加工智能化產線采用模塊化的設計理念，通過工業以太網進行信息交互，具體結構如圖1 所示。該產線包括定節距上料單元、帶地軌的工業機器人單元、數控加工單元、PLC 總控單元以及下料單元。

圖1 系統結構圖

在該系統中，總控單元負責系統總體調度，包括工業機器人上下料指令的下達，上下料單元運行節拍的控制等。定節距上料單元采用PLC 為控制核心，根據總控單元要求進行物料的定節距傳送。帶地軌的工業機器人單元主要功能是根據命令將待加工物料運送至數控加工單元，并將加工完畢產品運送至下料單元。數控加工單元則負責進行物料的數控加工，并及時發送上下料請求信號。下料單元負責將加工完畢的產品運送至下一道包裝工序。

2 系統硬件設計

■2.1 PLC 總控單元

PLC 總控單元為整個系統的“大腦”，負責協調產線的運行，系統運行邏輯均由總控單元編程實現。總控單元采用PLC+PROFINET 遠程模塊的控制結構，PLC 硬件資源主要用于系統啟停控制、工業機器人地軌伺服驅動控制，PROFINET 遠程模塊則用于數控機床信息交互、定節距上料單元控制、下料單元控制等。總控單元中PLC 為西門子中小系列S7-1200 系列PLC，該系列PLC 采用模塊化結構，具有通信功能和工藝功能，可以采用梯形圖、SCL等編程方式進行程序設計，其指令系統豐富，為用戶提供了許多高級指令，具有編程簡單、可靠性和穩定性高的特點。PROFINET 遠程模塊為的南京華太自動化技術有限公司生產的PROFINET 適配器FR8210 及其輸入輸出模塊FR1108、FR2108。PROFINET 適配器FR8210 供電電源為24V DC(18 ～36V)，總線速率可達100Mbps，傳輸距離可達100m，適配IO 數量為32 個，其輸入輸出均可達32 個字節，具有溫度監控和系統電源監控功能。FR1108 是8 通道數字量輸入模塊，輸入信號類型為PNP，輸入邏輯“1”信號范圍為15~30 V，輸入邏輯“0”信號范圍為-3 ～3V，具有可配置的去抖動時間，采用光耦隔離，支持模塊溫度異常告警和系統電源監控。

■2.2 定節距上料單元

定節距上料單元采用鏈條傳送結構，通過變頻器驅動電機實現。系統中采用的變頻器為三菱FR-D700S 變頻器，其電氣原理圖如圖2 所示。FR-D700 系列變頻調是一種緊湊型多功能變頻器，其功率范圍為0.4~7.5KW，采用長壽命元器件，內置Modbus-RTU 協議和制動晶體管，帶安全停止功能。圖中，繼電器KA1 和KA2 均由遠程模塊進行控制，當KA1 得電時，電動機朝正方向運行，用于正常生產；當KA2 得電時，電動機朝反方向運行，用于系統維護和調試。

圖2 變頻控制電路

■2.3 帶地軌的工業機器人單元

工業機器人采用埃夫特智能裝備有限公司生產的ER50A-C10 型，其額定功率為5 KW，最大負載為50 KG，采用KEBA 機器人系統，具有編程簡單、擴展方便的優點。為擴展工業機器人的工作范圍，采用PLC 控制伺服驅動系統設計了工業機器人地軌。工業機器人地軌控制系統中采用的PLC 為西門子S7-1200，伺服系統為三菱伺服驅動器MR-JE-40A 及對應伺服電機，電氣圖紙如圖3 所示。為了實現地軌的精確定位，采用了全閉環的控制結構，設計了地軌的原點位置檢測、左極限位置檢測、右極限位置檢測等，確保了工業機器人運行安全。工業機器人和PLC 之間采用最直接的IO 連接進行通信，工業機器人和PLC 之間能夠實現信息的雙向傳遞。

圖3 地軌伺服驅動系統

■2.4 數控加工單元

數控加工單元為SIEMENS 828D 數控銑床。SIEMENS 828D 是西門子公司最新推出的一款基于面板的緊湊型數控系統，配置了TFT 彩色顯示器和先進的QWERT 全尺寸CNC 鍵盤，具有來回有更好的操作性能以及操作體驗。數控加工單元與總控單元PROFINET 遠程模塊相連，具體電路如圖4 所示。PROFINET 遠程模塊與數控加工單元之間的信息交互主要是實現對機床夾具、前門、后門等裝置的控制，用以實現對機床上下料的前置條件控制。當機床發出上料請求后，需要控制打開其前門；當機床發出下料請求后，需要控制打開其后門。

圖4 數控接口電路圖

■2.5 下料單元

下料單元采用傳送帶結構，通過直流電機正反轉來實現傳送帶正反轉，其主電路如圖5 所示。其工作原理是通過繼電器互鎖方式實現其正反轉，當繼電器K1 接通時，電機正轉，當繼電器K2 接通時，電機反轉。正常工作時，傳送帶運行方向為正方向，當系統處于調試或維修狀態時，需要對其進行反方向控制。

圖5 下料單元控制電路

3 軟件程序設計

■3.1 PLC 程序設計

SIEMENS S7-1200 PLC 程序設計采用博圖軟件，該軟件可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅動產品進行組態、編程和調試，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400 控制器、同時也支持基于PC 的SIMATIC WinAC自動化系統。在進行PLC 程序設計前，需要根據現場硬件系統進行設備組態，本項目網絡拓撲如圖6 所示。為了進行正常通信，需要確保各個PROFINET 模塊處于同一網段，本項目中 將 總 控PLC 的IP 地址設置為192.168.0.1，定節距上料單元IP 地址設置為192.168.0.2，下料單元IP 地址設置為192.168.0.3， 數 控單元IP 地址設置為192.168.0.4。

圖6 PLC 網絡拓撲

為了提高程序的可讀性和調試的便捷性，采用了模塊化設計程序。根據系統功能主要包括系統流程控制、地軌伺服控制、定節距上料單元控制、下料單元控制、數控機床控制，程序調用如圖7所示。系統流程控制主要根據初始化條件，完成系統運行調度；地軌伺服控制程序塊主要實現地軌點動運行、絕對位置運動、回原點運動以及機器人PLC 通信等功能；定節距上料單元控制程序塊主要實現待加工物料的運輸，根據系統流程要求，實時將物料運輸至上料抓取工位，以供工業機器人進行抓取；下料單元控制程序塊主要根據系統調度要求，及時將加工完畢后的物料傳送至下一道工序，保證物料沒有滯留；數控機床控制程序塊主要實現數控機床上下料信號發送、上下料動作運行控制、工業機器人及數控配合協調功能。

圖7 PLC 主程序

■3.2 工業機器人程序設計

埃夫特ER50A-C10 型工業機器人采用KEBA 系統，采用面向機器人操作用戶點的編程語言KAIRO 語言，主要包括機器人運動控制指令、時間管理指令、運動狀態設置指令、流程控制指令、系統功能指令等。根據產線工藝要求，設計了如圖8 所示機器人程序流程圖。工業機器人主程序中設置一個死循環，在收到上料信號后，開始調用上料程序，完成上料；上料完畢后，繼續等待下料信號，當收到下料信號后，開始調用下料程序，完成下料；下料完畢后，工業機器人運行至初始位置，等待數控機床上料信號的到來，如此反復。該控制方式是基于一臺數控加工機床配置一臺上下料工業機器人的要求進行設計的，其設備利用效率相對不高。后期在產線進行改造升級時，可以考慮通過一臺工業機器人配合多臺數控加工機床工作，通過調節優化工業機器人運行節拍，進而最大限度提高設備利用率。

圖8 工業機器人程序流程圖

4 結語

在產教融合背景下，生產實訓設備不能僅僅只應用于教學中，應該能夠用于實際生產。基于工業機器人的數控加工智能產線采用模塊化設計理念，直接對接企業生產項目。當設備閑時，可以應用于工業機器人技術專業進行安裝、調試、系統集成等課程實訓教學，極大提高了產線的使用效率，提高了其共享性。該產線集PLC 控制技術、PROFINET 通信技術、數控加工技術、工業機器人技術于一體，具有一定的先進性，能為企業設計智能制造體系提供一定的參考，具有較強的借鑒意義。