智能制造背景下工業機器人CNC 機床上下料工作站設計

陳奎，朱曉瑛

（1.蘇州高等職業技術學校，江蘇蘇州，215009；2.泓懿醫療器械（蘇州）有限公司，江蘇蘇州，215000）

0 引言

隨著科技的不斷發展和智能制造的興起，數控技術在裝備制造業中的應用越來越廣泛。數控技術以其高精度、高效率的特點，大幅提升了工業生產的質量和效率。而在數控加工中，數控車床是一種被廣泛應用的設備，它通過計算機程序控制機床的運動和加工過程，實現對工件的精確加工。然而，傳統的數控車床操作仍然存在一些問題。其中，上下料過程是加工制造過程中不可或缺的一部分，但常常被忽視。傳統的上下料工作通常需要操作員進行手動操作，不僅效率低下，而且存在很大的人為誤差。此外，長時間地重復性動作對操作員的身體健康也產生一定的影響。

智能制造背景下，數控車床上下料工作站的開發對提升生產效率、降低成本、改善產品質量具有重要意義。基于此，本文通過對數控車床上下料工作站的工作流程進行深入分析，在現有的數控車床上實施智能化改造，引入機器人、電氣控制系統及激光測距傳感器等硬件設備，實現數控機床的智能化生產功能，在減小勞動強度的同時大幅縮短了生產周期，提高了生產效率和產品質量，為企業帶來技術革新和經濟效益，推動裝備制造業的轉型升級。

1 數控車床上下料工作站的功能分析

數控車床上下料工作站是實現數控車床自動化加工的關鍵環節，其功能需求主要包括自動上下料、物料供應控制、工件定位與夾持、工件質檢等方面。本工作站主要由數控車床、工業機器人、清理單元、檢測單元等組成，各硬件設備的布局如圖1 所示。工作站負責對回轉形工件進行車削加工，使用工業機器人進行上下料，使用組態技術進行實時監控，使用PLC 控制技術對各執行機構進行控制，使用多種通信技術與系統中的其他硬件進行通信。

圖1 數控車床工作站整體布局圖

該數控車床工作站的功能是使用數控車床對回轉形工件進行車削加工，加工完畢后對工件進行清理，清理干凈后檢測工件尺寸，最后將工件放到成品區。具體的工作流程為：系統處于初始狀態，按下工作站運行按鈕，PLC 給機器人發出啟動命令；機器人的氣動夾爪運行到原料區，傳感器檢測到原料盤上有工件后，機械手從原料區抓取待加工的工件到達安全門外安全區，數控車床安全門打開，機械手將工件安裝到車床卡盤上并夾緊工件；機器人退出到安全位置后關閉安全門；數控機床接收到機器人上料完成的信號后進行加工，并將工件加工完成的信號反饋給機器人，指導機器人完成下料工作，機械手再將加工好的產品分別搬運至吹氣和檢測處進行清理和尺寸檢測，最后將產品放置到成品區，再進行下一個工件的加工，直至完成原料盤上所有工件的智能化加工，工作站的工作流程如圖2 所示。

圖2 數控車床工作站工作流程

圖3 氣動系統控制

圖4 CHELIC HDW32 型雙機械夾爪

2 數控車床上下料工作站設計與開發

數控車床上下料工作站在現代制造業中扮演著重要的角色，它的設計與開發對于提高生產效率和降低人力成本具有重要意義。一個設計合理、功能完善的工作站可以為數控車床的加工過程提供高效而準確的上下料支持。

首先，在數控車床上下料工作站的設計與開發中，安全性是首要考慮的因素之一。工作站應當符合相關安全標準，并配備必要的安全裝置，以保護操作人員的人身安全。例如，工作站應配置防護門、傳感器和緊急停機開關等，以及各種安全警示標志，確保人員在使用過程中遵循正確的操作流程。其次，工作站的設計應考慮提高生產效率。通過充分利用自動化技術，工作站可以實現自動上下料、清洗和檢測等功能，減少人工操作的繁瑣和時間成本。此外，工作站還可以通過集成智能化系統，對生產過程進行實時監控和數據分析，實現生產數據的追蹤和可視化管理，進一步優化生產計劃。

■2.1 數控車床的改造

本工作站使用現有的廣州鑫泰CKG6140數控車床，該數控車床為智能制造系統的車削設備，系統為FANUC 0i Mate TD，車床配備了車削工件所用的刀具及附件，除具備標準功能外，還需將數控車床的手動防護門改造為氣動自動門，并在操作面板上設置快捷按鈕，通過編寫FANUC PMC 程序實現自動門的開、關控制，為配合工業機器人末端夾具的自動放料、取料，將數控車床的普通三爪卡盤改造為氣動軟爪卡盤，根據PLC 信號控制卡爪的松開與夾緊。

改造后的機床還需配置帶進氣節流閥的雙作用活塞式氣缸、帶消聲器的電磁換向閥、氣動三聯件、氣管等配件，形成氣動卡盤和自動防護門。三爪氣動卡盤型號為KS160-3，配置對應的氣動附件、支撐結構件、工件墊高結構件、壓緊件及軟爪。

■2.2 機器人系統的改造

數控車床上下料工作站的開發關鍵在于引入機器人系統，通過與數控系統的無縫集成，機器人可以準確地識別并抓取工件，實現自動化的物料搬運和工件裝夾。本工作站選用現有的ABB IRB 1410 六軸工業機器人，該機器人配置有工具快換單元（包含碼垛夾爪、單嘴吸盤、涂膠尖點、CHELIC HDW32 型雙機械夾爪等）。該套機器人系統除滿足數控車床上下料功能外，還具備碼垛、涂膠、PCB 板裝配等基本功能，能夠適應不同行業的生產需求。

■2.3 電氣系統的改造

電氣系統的開發為工作站的自動化和智能化提供了支持，實現了高效、準確的物料搬運和工件加工。電氣系統主要包含傳感器、空氣開關、電源開關、PLC 及觸摸屏等模塊。為保證操作人員及設備的安全，在整套設備的外圍安裝隔離光柵。

本工作站選用了西門子CPU1214 DC/DC/DC PLC 控制器、拓展SM1223 DI16×24 VDC，DQ16×24 VDC 數字量輸入/輸出模塊，該PLC 控制器提供了多個模擬輸入輸出通道和數字輸入輸出通道，還支持以太網、RS485 和Profibus 等通信模式，實現與上位機或其他設備的數據交換和遠程控制。電氣系統中的觸摸屏選用7 寸的威綸通，用于進行人機交互，使操作員方便地控制和監視工作站的運行狀態。

清理單元包含吹氣支撐臺、吹氣吹嘴，主要功能是清理數控車床加工后遺留在工件上的切屑；檢測單元使用LOD2系列的激光測距傳感器，用于測量車床加工后的工件尺寸。

2.3.1 數控車床工工作站的I/O 配置

根據工作站的工作流程梳理西門子S7-1200 PLC 的控制要求：（1）通過與ABB 機器人上DSQC652 I/O 信號板通信，指導機器人完成上下料動作；（2）與數控車床進行通信；（3）控制清理單元進行工件的清理、控制檢測單元進行工件尺寸的檢測。其中PLC 控制器與數控車床、機器人及清理單元之間的通信主要是I/O 通信，表1 為數控車床工作站的I/O 分配方案。

表1 控制系統PLC的I/O分配表

2.3.2 數控車床工工作站的硬件連接

根據數控車床工作站的功能及表1 中系統的I/O 配置方案，設計基于西門子S7-1200 PLC控制系統的硬件接線圖（圖5）和輸入/輸出接線圖（圖6）。

圖5 數控車床工作站硬件接線

圖6 PLC 輸入/輸出模塊硬件接線

2.3.3 人機交互界面及PLC 程序設計

數控車床上下料工作站設計與開發還涉及人機交互界面及PLC 程序設計，在人機交互界面的設計中，界面應該簡潔直觀，通過合理的布局和圖形化的顯示，操作人員能夠方便地控制和監控工作站的運行狀態。同時提供適當的報警和提示功能，以提醒操作人員注意安全事項和異常情況。

觸摸屏中除制作簡單的操作界面外，還增加了監控、手動操作、I/O 查詢和報警顯示等界面，如圖7 所示。

圖7 觸摸屏操作界面

3 數控車床工作站的聯動調試

本設計方案中工作站要實現的功能包括：機械手檢測原料盤上有工件后進行抓取，機械手將工件搬運至安全位置后、數控車床安全門打開；機械手將工件裝夾到氣動卡盤上、機械手退到安全位置；機床安全門關閉并開始車削工件；機械手接收到加工完成信號后將加工好的工件取下移至清理工位進行清洗；機械手將清洗后的工件搬運至檢測工位進行尺寸檢測，最后將成品放到倉儲位置。

此設備的性能測試內容包括：（1）檢查氣動裝置、夾具等零部件是否安裝正確、靈活運轉，并進行必要的調整和修正；（2）核對PLC 程序是否正確加載，檢查傳感器、開關、繼電器等電氣元件是否連接正確。根據設備的實際情況，逐步調試各個動作模塊，如上料、下料、夾取工件、清洗工件等。（3）根據設備的操作流程，設置上下料的啟停條件、動作順序和等待時間等參數。通過觸摸屏或其他控制界面操作，觀察并記錄系統的聯動效果，如上料+加工+下料+清洗+檢測的完整過程。根據聯動調試中觀察到的問題和現場實際情況，進行參數優化。調整上下料的速度、位置精度、延時時間等參數，以達到更好的工作效果和生產效率。（4）在進行聯動調試時，還應確保設備的安全性。遵循相關的操作規程和安全操作要求，如安全門、急停按鈕、防護裝置等應正常工作，確保操作人員和設備的安全。

根據數控車床上下料工作站的工作流程，編寫ABB IRB 1410 六軸工業機器人的運行程序，以下為工作站中機器人運行的程序：

4 結語

隨著“中國制造2025”戰略的提出，我國裝備制造特別是高端裝備制造業迎來了發展的新機遇，促進了傳統制造類企業向智能制造轉型升級。本文針對目前加工制造業的技術裝備現狀對傳統的數控機床進行了智能化改造，采用I/O通信、RS422 串行通信及以太網通信方式將S7-1200 PLC控制器、數控車床、工業機器人、清理單元、檢測單元、觸摸屏以及上位機等硬件連接起來進行信號傳輸，控制數控車床工作站各單元協同動作，不僅實現了數控機床應有的切削加工要求，而且還能完成簡單的上下料等任務，大大降低了勞動強度，提高了工作效率，推動了傳統裝備制造業的轉型升級。