工業機器人與CNC機床集成上下料工作站技術應用

■威海職業學院 （山東 264200） 韓鴻鸞

1. 硬件選擇

（1）工業機器人上下料工作站的組成。典型的工業機器人數控機床上下料工作站系統如圖1所示。主要的組成部分包括工業機器人、數控機床、工件、抓取手爪、周邊設備及系統控制器等。工業機器人與數控機床之間的通信方式根據各系統的不同，也有所區別。對于信號較少的系統，可以直接使用I／O信號線進行連接，至少要包括門控信號、裝夾信號及加工完成信號等。對于信號較多的系統，可以使用現場總線、工業以太網等方式進行通信。

（2）上下料機器人的選擇：本實例所介紹的數控機床加工工件為圓柱體，如圖2所示，重量≤2kg，故機床上下料機器人可選用安川MH6機器人，如圖3所示。機器人控制系統為安川DXl00。

選擇工業機器人末端執行器應考慮夾取對象的形狀與質量，本實例選擇氣動手爪，如圖4所示，型號為HDS-20Y，控制手爪動作的電磁閥安裝在MH6機器人本體上。若工件質量大，可選用液壓手爪。

圖1 工業機器人數控機床上下料工作站系統構成

圖2 零件

圖3 安川MH6機器人

圖4 氣動手爪

考慮到失電安全，失電后夾緊的工件不應掉落，故電磁閥采用雙電控。末端執行器氣動控制回路如圖5所示。當YV1電磁閥線圈通電時，氣動手爪收縮，夾緊工件；當YV2電磁閥線圈通電時，氣動手爪松開，釋放工件；當YV1、YV2電磁閥線圈都不通電時，氣動手爪保持原來的狀態。電磁閥不能同時通電。

（3）PLC控制柜與安全防護裝置的選擇

PLC控制柜用來安裝斷路器、PLC、開關電源、中間繼電器和變壓器等元器件。PLC選擇OMRON公司NJ301-1100控制器，上下料機器人的啟動與停止、輸送線的運行等均由其控制。

常用的安全防護如圖6所示，有安全圍欄與安全光柵。本工作站選用安全圍欄。

2. CNC與機器人上下料工作站的接口

機器人上、下料時，需要與CNC進行信息交換、互相配合，才能有條不紊地工作。機器人上下料的工作流程如圖7所示。

CNC與機器人上下料工作站PLC之間信號的傳遞路徑如圖8所示。CNC機床PLC與上下料工作站PLC之間進行信息交換，機器人控制系統與上下料工作站PLC之間進行信息交換。

CNC與機器人上下料工作站的接口信號如表1所示。上下料工作站PLC向CNC機床PLC發出指令，如“請求CNC開門”、“請求CNC關門”等，指令的執行由CNC機床PLC來完成。

機器人上下料工作站PLC的配置如表2所示，CNC與機器人上下料工作站的接口分配如表3所示。

圖5 末端執行器氣動控制回路

圖6 安全防護裝置

圖8 CNC與機器人上下料工作站之間信號的傳遞路徑

表1 CNC與機器人上下料工作站的接口信號

表2 機器人上下料工作站PLC的配置

3. CNC與機器人上下料工作站的接口電路設計

CNC機床PLC的輸出接口為源型輸出，而NJ PLC的輸入接口必須接為漏型，所以CNC機床PLC的輸出信號通過中間繼電器進行過渡。CNC輸出與NJ輸入接線圖如圖9所示。CNC輸入與NJ輸出接線圖如圖10所示。

4. 注意事項

（1）如果纏屑不處理，將會導致裝夾位置不準確，上下料困難等問題。面對此類問題，首先要建議客戶改良工藝或車削刀具，有效斷屑；此外還需增加吹氣裝置，每個工作節拍內吹氣一次，減少切屑堆積。

（2）機床的定位主要靠定位銷。一般情況下，定位銷會比定位孔小一些，不會發生工件難以裝入現象；但遇到間隙配合特別小的時候，首先要親自操作一下，看工件與定位銷之間的配合，再結合機器人精度做預判，以防后期機器人工作站調試時無法裝夾到位，如圖11所示。

表3 CNC與機器人上下料工作站的接口分配

圖9 CNC輸出與NJ輸入接線圖

圖10 CNC輸入與NJ輸出接線圖

圖11 裝夾定位

（3）裝夾到位問題，有部分工件，在卡盤內部有一個硬限位，工件在裝夾時，必須緊靠硬限位，加工出的零件才算合格，遇此類情況，建議選用特制氣缸，含推緊壓板，可以有效達到目的。

（4）主軸準停問題，有的工件在裝夾時認方向，主軸需有主軸定向功能，才可以實現機器人上下料。

（5）切屑堆積問題，有部分數控車床不含廢料回收系統，此時在技術協議或方案中需注明，要客戶根據實際情況，定期清理切屑。

（6）斷刀是車床上下料中最頭痛的問題，如沒有斷刀檢測，只有通過定時抽檢來判斷此現象，如斷刀現象頻繁，建議研究該項目的可行性。

5. 結語

本文是以工業機器人與數控車床集成工作站的情況介紹的，對于工業機器人與數控銑床、加工中心等集成工作站同樣具有借鑒作用，其步驟與注意事項是大同小異的。

[1] 楊杰忠，王振華. 工業機器人操作與編程 [M]. 北京：機械工業出版社，2017.

[2] 葉伯生. 工業機器人操作與編程[M]. 北京：華中科技大學出版社，2016.

[3] 韓鴻鸞. 工業機器人工作站系統的集成與應用 [M]. 北京：化學工業出版社，2017.

[4] 汪勵，陳小艷.工業機器人工作站系統集成 [M]. 北京：機械工業出版社，2014.