機器人上下料物流系統在數控機床加工中的設計與應用

欒京東 馬 琪 郭明儒 鮑 諾 劉德亮

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機器人上下料物流系統在數控機床加工中的設計與應用

欒京東 馬 琪 郭明儒 鮑 諾 劉德亮

（北京航天控制儀器研究所，北京 100854）

針對數控加工，采用工業六軸機器人實現機床自動上下料，通過AGV實現物流在各工位之間的自動周轉，并詳細分析了設計流程，設計和研究了相關通信接口和控制系統，在實際應用中取得不錯效果，提高了生產效率。

智能制造；數控機床；工業機器人；物流周轉；自動上下料

1 引言

隨著智能制造技術的不斷發展，工業機器人作為制造中的主要自動化裝備在許多領域得到廣泛應用，例如汽車、電子手機等行業[1]。航天制造是個系統工程，其生產具有“多品種、小批量及精度高”的特點，在一些型號產品生產中，自動化設備應用較少，缺乏數據的數字化管控。

針對實際情況，本文主要針對數控加工設備，采用工業機器人技術，設計出一套柔性的智能制造生產單元，旨在解決機加行業存在的人力成本較高、產品一致性不好、設備利用率低等問題。

2 總體架構設計

圖1 總體架構圖

工藝布局和現代物流是提高企業現場管理能力水平、提升對外形象的重點工作。根據柔性制造的生產模式，整體架構設計如圖1所示。

該方案由三層架構：設備層、控制層和軟件層，設備層主要由各類數控機床、上下料機器人、測量機、AGV、智能貨柜及其它傳感設備組成；控制系統主要實現各設備層的集成，實現上位機與生產線上各設備之間的通信，主要包括通信、數據采集工作和設備監控，實現設備層的各設備之間的聯動交互和狀態監視；軟件層主要是MES，實現計劃排產，指令下達、完工情況等。

3 柔性制造單元系統設計

3.1 機床組網方案設計

數控機床組網對于最新的CNC系統，一般內置以太網接口，通過數控系統廠家提供的相關服務軟件，可進行底層數據軟件的二次開發工作，連接到局域網然后通過調用功能函數實現訪問CNC，讀取數控系統相關信息，以達到遠程控制及監控數控機床的運行狀態的目的[2，3]。

通過對柔性單元的機床聯網改造預期將達到三個目的，對機床組網通信實現程序上傳下載，組態軟件的安裝實現機床數據采集和運行狀態的監控，對機床內置控制器的改造實現機床的遠程控制，與機器人的協同。

3.2 機器人上下料系統設計

3.2.1 工業六軸機器人集成

圖2 機器人上下料三維圖

上下料機器人集成方案擬采用一臺固定工業六軸機器人服務一臺車床和一臺銑床、AGV接駁臺的上下料以及清洗機，兩臺AGV小車進行物料的周轉和傳送。上下料工業機器人的數量只需三個，而且充分發揮工業機器人的智能化，且機器人位置固定，其控制和定位精度較高，固定在兩個車床之間的上下料機器人，具有安全防護傳感器，在人接近時可減速甚至停止操作，三維效果如圖2所示。

圖3 機器人上下料設計流程圖

上位機接受上料指令，且泊位檢測到托板后，機械手抓取托盤給機床上料。機械手進入機床前，機床門自動打開且鎖定機床，機械手抓取托盤放在卡盤上，卡盤鎖緊托盤，機械手松開撤出機床，機床門關閉同時機床解鎖，數控系統自動調入加工程序，啟動加工。加工結束后，機床門打開，機械手抓取托盤。具體流程設計如圖3所示。

3.2.2 機器人控制系統電氣設計

根據生產產品重量及定位精度，選擇ABB 2600機器人，采用控制柜自帶DSQC652標準IO板。機器人通過交換機與上位機建立網絡通信連接，機器人通過接收來自上位機的指令完成上下料等動作。在動作執行過程中，IO的輸入輸出信號將貫穿其中，具體在每一步所需接收及發送的IO信號如圖4所示。

圖4 ABB2600 DSQC IO板信號接線圖

與機器人運動相關的控制及反饋信號集中于此進行統一調度控制及信號反饋接收。這些信號包括，輸出控制信號：車床門、機械手電磁閥信號、銑床門、銑床卡盤鎖緊等信號；輸入反饋信號：銑床卡盤鎖緊狀態信號、車床卡盤鎖緊狀態信號、氣爪開到位信號、氣爪關到位信號、車床門到位傳感器信號、銑床門到位傳感器信號等。

3.2.3 定位卡具及機械手設計

在智能制造自動化生產線中使用柔性的卡盤，具有較好的位置精度和一致性，更小的公差帶，能夠給裝配帶來便利，提高產品等級[4，5]，采用的定位卡盤如圖5所示。同時具有更高的效率，包括生產效率和換產效率，以及更多的機床有效加工時間。

圖5 機床定位卡盤

以批量化成熟產品某慣性器件結構件為生產對象，為了提高加工效率，銑床托盤上擬同時放有4個零件，托盤部分結構如圖6所示。

圖6 銑床托盤部分結構示意圖

本文選用SMC公司MHL2-20D型氣缸，通過氣缸和電磁閥控制帶動機械手實現夾取動作。設計的氣缸和機械手結構如圖7所示。

圖7 機械手結構示意圖

3.3 AGV集成及泊位設計

3.3.1 AGV的功能簡介

基于地圖的導航和定位模式：傳統的AGV需要鋪磁條或激光反射板，而AGV只需掃描一下環境，便自動形成地圖，基于視圖的便捷上位機軟件方便客戶選擇路徑，節省了復雜的編程。

自主避障和防碰撞：當前方有障礙物時，其傳感器會檢測到并自主計算最佳路徑繞開障礙物前行，無需客戶編程。

3.3.2 泊位設計

圖8 泊位設計三維圖

為保證上下料機器人能夠在固定位置準確地抓取工件，載板送至泊位后，通過定位錐使其具有精確的重復性定位功能。利用位置傳感器檢測泊位上是否有載板，以保證上下料機械臂能抓取工件。泊位上4個氣缸升降用于保證帶有工件載板的落位和頂起。磁性開關用于反饋氣缸動作的到位信號，是上位機執行下一步動作的必要條件。設計的泊位三維圖如圖8所示。

AGV自身定位精度為10cm，不是很高；AGV小車通過增加磁條定位傳感器，定位精度可達±5mm；載板與AGV和泊位的接駁是通過定位銷來實現定位，錐形的定位梢結構如圖9所示，既抵消了磁條定位傳感器的誤差，又簡單易行，可靠穩定，重復定位精度可達0.5mm，滿足上下料機器人抓取精度要求。

圖9 定位梢結構圖

4 實際應用

設計的數控機床組網監控軟件運行界面如圖10所示。

圖10 機床監控程序運行界面

從圖中可以看到機床當前運行啟動、絕對坐標、負載信息及當前正在運行的程序及程序名，運行模式及報警信息，該機床運行的監控系統對生產運行起著重要作用。

開發運行的控制層界面如圖11所示，從運行界面可以看出整個系統對上下料機器人、AGV車的啟停及動作過程進行全程控制和監控，這種控制通過電磁閥、傳感器等執行，而通過開發的控制系統界面展示出來。

圖11 控制系統運行界面

系統部分實物如圖12所示，該系統試運行以來，縮短工序轉換時間和機床停工時間，零件轉換時實現一鍵切換。提高機床利用率，原來5臺機床、1臺三坐標需要6位工人，現在2位工人可維持柔性單元的運行，人力成本下降為原來的40%，預計年節約人工費用約40萬元。

圖12 機器人上下料物流系統部分實物圖

5 結束語

本文設計的機床自動上下料系統操作簡單，穩定可靠，實現了柔性化生產，零件加工精度一致性好，生產率顯著提高，進一步提升產品質量，實現了物流、信息流和控制流的自動轉化，解決了實際問題存在的設備利用率不高等問題。

1 孫英飛，羅愛華. 我國工業機器人發展研究[J]. 科學技術與工程，2012(12)：34～35

2 盧澤旭. 工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用研究[J]. 機電信息，2012(12)：49～51

3 王學良，張秋菊. 基于PLC的機械手自動上下料控制系統設計[J]. 中國制造業信息化，2012，41(15)：59～62

4 張洪強. 機器人控制數控機床技術研究及應用[J]. 機床與液壓，2016(4)：151～154

5 程智勇，李曉娟，陳華龍，等. 基于FANUC0iTD和GSK工業機器人柔性制造單元的設計[J]. 機床與液壓，2014(11)：97～100

Design and Application of Robot Loading and Unloading Logistics System in NC Machine Tool Processing

Luan Jingdong Ma Qi Guo Mingru Bao Nuo Liu Deliang

(Beijing Aerospace Control Instrument Institute, Beijing 100854)

In this paper, the automatic loading and unloading work piece in machine tool and the automatic turnover of the logistics between the various stations were realized by the industrial six-axis robot and AGV respectively. The process was analyzed in detail, and the related communication and control systems were designed and studied. Thus, the production efficiency has been improved significantly.

intelligent manufacturing；CNC machine tools；industrial six-axis machine；logistics system；robot loading and unloading

航天科技集團公司創新研發項目。

欒京東（1984），博士，航空宇航制造工程專業；研究方向：精密制造裝配及數字化集成。

2017-07-11