給FANUC CNC 集成FANUC ROBOT 的改造案例

王啟春 繆嘉敏 徐嘯順 周偉明

(上海通用汽車有限公司，上海 201206)

在工業(yè)產(chǎn)品換代升級日益頻繁、生產(chǎn)線自動化水平迅速提高的背景下，生產(chǎn)線設備升級改造的需求隨之而來。本文介紹的案例是一條汽車變速箱自動化生產(chǎn)線由于產(chǎn)品工藝升級，需要增加一個加工工位，能自動上下料。結合實際資源情況，決定改造一臺退役的德國GROB BZ400 型加工中心，配備一臺FACNUC ROBOT 實現(xiàn)自動上下料，構成一個新的工位MT5 集成到原來的生產(chǎn)線中。

1 硬件部分

1.1 項目應用系統(tǒng)

原生產(chǎn)線設備控制系統(tǒng)是SIEMENS 840D POWERLINE。新增的MT5 工位，其改造的加工中心使用的是FANUC 160M 系統(tǒng)，機器人選用FANUC 710iC-70，控制器是R-30iA。

1.2 通訊方案

增加MT5 工位前，LD1 上料工位與各加工工位PLC 通訊，LD1 上料工位通過Asi 總線連接整線滾道上的傳感器和執(zhí)行元件，如圖1 中虛線所示。增加MT5 工位后，在LD1 工位組態(tài)新硬件FIELD I/O 模塊和FANUC ROBOT，通訊如圖1 中實線所示:(1)MT5CNC 的I/O 通過點對點接入FIELD I/O 模塊，與LD1 通過PROFIBUS DP 總線通訊;(2)MT5 ROBOT與LD1 通過PROFIBUS DP 總線通訊;(3)MT5 滾道附件(傳感器和氣缸等執(zhí)行元件)通過Asi 總線接入LD1。MT5CNC 與MT5 ROBOT 通訊通過LD1 中轉實現(xiàn)。

2 軟件設計

軟件部分主要包括:(1)MT5 CNC 與MT5 ROBOT的接口設計;(2)MT5 CNC 的PMC 設計;(3)MT5 CNC的HMI 設計;(4)LD1 PLC 的設計;(5)LD1 HMI修改。

2.1 MT5 CNC 與MT5 ROBOT 的接口設計

MT5 CNC 與MT5 ROBOT 的通訊是通過LD1 來中轉的，所以它們之間的接口由兩部分內(nèi)容構成:LD1與MT5 CNC 的接口，LD1 與MT5 ROBOT 的接口，傳遞關系如圖2 所示。

2.1.1 MT5 CNC 與LD1 的接口設計

MT5 CNC 到LD1 的接口部分信號如表1，主要分為以下幾類:(1)機床狀態(tài):有無報警，緊停;(2)機床運行方式選擇:手動，自動，空運轉;(3)上下料的狀態(tài):使能上下料狀態(tài)，上下料請求，機床門打開，門光幕OK，工件夾具狀態(tài)，機床內(nèi)有無工件的記憶狀態(tài);(4)機器人的手動操作，如回零、去維修位和機器人夾爪的手動操作;(5)工件類型選擇等。

表1 MT5 CNC 到LD1 的接口信號

LD1 到MT5 CNC 的接口信號如表2 所示，主要分為以下幾類:(1)機器人和滾道狀態(tài):無報警，運行狀態(tài)準備好;(2)運行模式，自動狀態(tài);(3)位置狀態(tài):機器人在HOME 位置，REPAIR 位置;(4)工作完成狀態(tài):上下料完成狀態(tài)，機器人夾爪狀態(tài);(5)工件狀態(tài):滾道上下料位置有無工件，滾道上下料托盤位置狀態(tài)，工件在機器人夾抓上等。

表2 LD1 到MT5 CNC 信號接口表

2.1.2 LD1 與MT5 ROBOT 的接口設計

LD1 到MT5 ROBOT 的接口信號主要分為以下幾類:(1)機器人標準輸入信號;(2)運行模式:空運轉、自動等;(3)上下料條件:機床工件托盤上有無工件，滾道上下料位置有無工件，滾道上下料托盤位置狀態(tài)，CNC 上料門打開;(4)來自于CNC 的機器人手動操作，打開、關閉夾爪。ROBOT 標準輸入信號以外的接口信號如表3。

表3 LD1 到MT5 ROBOT 信號接口表

MT5 ROBOT 到LD1 的接口信號主要分為以下幾類:(1)機器人標準輸出信號;(2)機器人位置狀態(tài):機器人在HOME 位置，REPAIR 位置;(3)工作完成狀態(tài):上下料完成狀態(tài)，機器人夾爪狀態(tài);(4)機器人報警狀態(tài)等。ROBOT 標準輸出信號以外的其他信號如表4 所示。

表4 MT5 ROBOT 到LD1 信號接口表

2.2 MT5 CNC 的PMC 設計

夾具自動循環(huán)的控制沿用了GROB PMC D 表的特點，其優(yōu)勢在于設計和診斷處理比較清晰，詳細如下。

圖3 是機床自動運行時夾具的順序動作步驟，共11 步，依次是:

STEP0:NC 加工(夾具等待NC 切削完成);

STEP1:夾具放松;

STEP2:托盤上升;

STEP3:打開上料門;

STEP4:請求機器人下料;

STEP5:請求機器人上料;

STEP6:關閉上料門;

STEP7:托盤下降;

STEP8:夾具夾緊;

STEP9:定位面氣檢(OK 跳到STEP0，NC 加工);

STEP10:夾爪放松(跳到STEP7)。

自動運行過程中，夾具順序動作如此循環(huán)和NC切削交替進行，是借助圖4 的D 表來實現(xiàn)的:每一個步驟都包含“條件”列和“完成”列;在“控制地址”列中列舉出所有動作相關的外部狀態(tài);將每一個動作相關的外部狀態(tài)分別在“條件”和“完成”中標“1”，將其16 進制值寫到頂部的D 地址中。在夾具控制子程序P80 中調(diào)用P2 子程序處理D 表數(shù)據(jù):每一步“條件”列滿足，執(zhí)行輸出，“完成”列滿足，步驟遞推，實現(xiàn)自動循環(huán)控制，每一步都有一個R 標志位，便于診斷。

這樣，機器人的控制就集成到夾具順序動作中，即保持了GROB PMC 的優(yōu)勢，也實現(xiàn)了ROBOT 從滾道給CNC 自動上下料，改變了原始設備人工上下料的情況。

另外，設計夾具手動控制，機器人手動操作，和LD1 工位接口等子程序等。

2.3 MT5 CNC HMI 設計

MT5 CNC 的HMI 存儲在MMC IV 擴展板卡中。通過修改配置文件，設計夾具手動操作，機器人手動操作等畫面。

夾具手動操作畫面，如圖5 所示，包括上料門打開/關閉，工件托架上升/下降，夾具夾緊/放松，定位面氣檢通過與否，斷銷檢測，工件在位等項目。

機器人操作畫面如圖6，包括:機器人夾爪夾緊/放松手動操作;機器人回零或者機器人去維修位置的手動操作;機器人在HOME 位置或在維修位置的現(xiàn)實;機床空運行時帶或者不帶機器人運動選項;機床內(nèi)有沒有工件的記憶狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時，用來判斷機器人上料/下料完成情況。

2.4 LD1 主要PLC 設計

上料工位LD1 工位是SIEMENS 840D POWERLINE 系統(tǒng)，在PLC 中增加幾個子程序，分別完成以下幾個功能:與MT5 CNC 的接口子程序處理收、發(fā)表1和表2 中的接口信號;與MT5 ROBOT 的接口子程序，處理收、發(fā)表3 和表4 中的接口信號，完成機器人啟停控制，軌跡程序選擇等功能，設計1 號程序為下料程序，2 號程序為上料程序;控制MT5 工位的滾道附件，如托架、擋料器的工作;控制MOBY 讀入來料工件信息，然后寫入MT5 工位完成后的工件信息，如工位號，工件狀態(tài)等。

2.5 LD1 主要HMI 設計

增加MT5 工位滾道部分的附件包括擋料器、托架的手動操作，在HMI PRO CS V7.3 中設計手動操作畫面，如圖7。

3 FANUC ROBOT 設計內(nèi)容

3.1 硬件相關

MT5 ROBOT 與LD1 是PROFIBUS DP 總線 通訊，機器人側啟用PROFIBUS 通訊方式和設定DP 地址。

ROBOT I/O 使用MODEL A，接入機器人夾爪，機器人圍欄安全門等信號，MT5 ROBOT 與LD1 接口信號如表3 和表4 所示，在ROBOT 側分別指定對應地址并命名。

3.2 軟件部分

ROBOT 自動運行通過程序號碼選擇信號(PNS1—PNS8 和PNSTROBE)來選擇程序。根據(jù)生產(chǎn)實際編輯上下料軌跡程序，下料程序號1，上料程序號2，去維修位置程序號3，與LD1 中的程序號選擇對應起來。

啟用DCS 中笛卡爾位置監(jiān)控功能，劃定安全工作區(qū)域，保證人員和設備安全。

設計子程序響應CNC 機器人操作畫面的手動操作，如夾爪動作和機器人回零等。

4 結語

本文通過介紹一個改造案例達到以下幾點目的:(1)介紹FANUC CNC 集成ROBOT 的主要接口信號;(2)介紹了給GROB 的FANUC BZ 系列CNC 中集成ROBOT 的一個方法;(3)說明設備改造的經(jīng)濟性和靈活性，如將退役的設備改造到自動化水平高，系統(tǒng)集成復雜度高的生產(chǎn)現(xiàn)場，同時比新設備采購成本低，周期短;(4)給行業(yè)內(nèi)類似應用提供一個參考案例。

［1］劉艷華.柔性車削中心上下料機構設計和控制［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(7):96-102.

［2］鄭澤鈿.工業(yè)機器人上下料技術及數(shù)控車床加工技術組合應用研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2013(7):107-110.

［3］劉丹陽.FANUC OiD 數(shù)控系統(tǒng)在自動生產(chǎn)線中與桁架機器人通訊［J］.機床電氣，2011(5):16-19.