工業(yè)機(jī)器人控制的機(jī)加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周名偵，張少明，蔣祖星

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510800）

0 前言

為了提高生產(chǎn)效率，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低機(jī)加工生產(chǎn)過(guò)程中的勞動(dòng)力成本，需對(duì)原有的數(shù)控機(jī)加工設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，以達(dá)到生產(chǎn)線一天24小時(shí)連續(xù)加工生產(chǎn)要求。為此，將原人工數(shù)控機(jī)加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成以工業(yè)機(jī)器人協(xié)同合作的機(jī)加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC為控制核心，構(gòu)建2臺(tái)工業(yè)機(jī)器人與原生產(chǎn)線設(shè)備協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)從原料毛坯棒料、數(shù)控機(jī)加工、零件傳送、堆放碼垛無(wú)人控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化[1-7]。

1 工業(yè)機(jī)器人控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)組成及工藝流程

本文研究的工業(yè)機(jī)器人控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)由原材料堆放與物料翻轉(zhuǎn)、數(shù)控車床自動(dòng)上下料、皮帶運(yùn)輸、智能分揀碼垛入庫(kù)、控制器與氣源供應(yīng)5個(gè)單元。各單元實(shí)現(xiàn)的功能如下。

圖1 工業(yè)機(jī)器人控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)組成及工藝流程

（1）物料翻轉(zhuǎn)單元：由工位帶檢測(cè)原料平面?zhèn)}、物料翻轉(zhuǎn)氣爪、系統(tǒng)按鈕控制盒及過(guò)濾減壓閥等組成，主要實(shí)現(xiàn)功能是系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、復(fù)位和急停的操作；存放待加工的毛坯棒料；棒料經(jīng)車床加工一頭后由機(jī)器人搬運(yùn)至翻轉(zhuǎn)氣爪上實(shí)現(xiàn)棒料的翻轉(zhuǎn)，從而在車床里實(shí)現(xiàn)棒料另一頭的加工；系統(tǒng)氣源的進(jìn)口，對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾減壓。

（2）數(shù)控車床自動(dòng)上下料單元：主要由數(shù)控車床和工業(yè)機(jī)器人組成，由工業(yè)機(jī)器人將需加工的工件放至車床加工工位，車床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工，加工完成后再由機(jī)器人把工件取出放至相關(guān)地方。

（3）皮帶運(yùn)輸單元：由皮帶傳輸機(jī)構(gòu)組成，由三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，當(dāng)機(jī)器人將物件放至傳送帶上時(shí)，傳送帶接到啟動(dòng)信號(hào)運(yùn)行，當(dāng)尾部的電感傳感器檢測(cè)到物件到達(dá)時(shí)，傳送帶即停止運(yùn)行，等待機(jī)器人來(lái)抓取。

（4）智能分揀碼垛入庫(kù)單元：由ABB1410工業(yè)機(jī)器人和3×3碼垛立體倉(cāng)庫(kù)組成。實(shí)現(xiàn)功能當(dāng)傳送帶尾端檢測(cè)到工件到達(dá)時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)去抓取工件，之后機(jī)器人會(huì)根據(jù)倉(cāng)庫(kù)各庫(kù)位工件的有無(wú)按順序入庫(kù)。

（5）控制器與氣供單元：由三菱PLC、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、斷路器、接線端子排、空氣壓縮機(jī)組成，是電氣元部件的匯集，提供電源和氣源。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線的硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人控制的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝流程由三菱PLC作為控制中心負(fù)責(zé)，通過(guò)主從站通訊交互信號(hào)形式，完成信號(hào)轉(zhuǎn)換、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床和運(yùn)輸皮帶等設(shè)備的動(dòng)作全過(guò)程協(xié)調(diào)控制。整個(gè)工業(yè)機(jī)器人控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程如圖2所示，主要包括：PLC控制器、機(jī)器人、數(shù)控車床、變頻器、觸摸屏、光電傳感器及限位開(kāi)關(guān)、空氣壓縮機(jī)與管系等。

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝流程

2.1 設(shè)備的選型

利用ABB IRB 1410工業(yè)機(jī)器人、華中HNC-180xp/T3數(shù)控系統(tǒng)、三菱FX3U系列PLC、RS485通信模塊、三菱FR-D720s變頻器、光電傳感器及限位開(kāi)關(guān)、供氣系統(tǒng)等設(shè)備或部件組成機(jī)加工的自動(dòng)化生產(chǎn)線閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的靈活抓取，數(shù)控車床的加工，實(shí)現(xiàn)物料和零件的移位和轉(zhuǎn)移。

2.2 自動(dòng)化生產(chǎn)線PLC的I/O確定

整個(gè)系統(tǒng)需要確定的PLC端口有2個(gè)，主要是主站0#PLC與從站1#PLC。現(xiàn)以1#PLC為例說(shuō)明。

輸入端口：X11(傳送帶物料放檢測(cè))；X12(傳送帶物料拿檢測(cè))；X13(機(jī)器人抓件完成（OUT2）)；X14(機(jī)器人放件完成（OUT3）)。

輸出端口：Y0(變頻器正轉(zhuǎn))；Y1(變頻器反轉(zhuǎn))；Y2(電機(jī)抱閘)；Y3(機(jī)器人抓件 （IN1） )；Y4(機(jī) 器 人 放 件 （IN2）)； Y5(機(jī) 器 人 Start at Main(IN3))；Y06(機(jī)器人 Stop(IN4))；Y7(機(jī)器人Mo?tors On(IN5))；Y10(機(jī)器人 Motors Off(IN6))。

除了以上需確定的PLC端口外，還需確定PLC通訊信號(hào)、機(jī)器人信號(hào)、車床信號(hào)等，在此不再重述。

2.3 PLC與工業(yè)機(jī)器人控制柜通訊模塊接線圖

生產(chǎn)線的電氣接線圖主要有主站0#PLC與從站1#PLC、數(shù)控車床、工業(yè)機(jī)器人控制柜4大部件的安裝與接線。其中PLC、車床應(yīng)用得比較多，不再敘述。而工業(yè)機(jī)器人的接線相對(duì)比較少，特別是控制柜的DSQC652通訊模塊與PLC的接線，具體如圖3所示。

圖3 PLC與工業(yè)機(jī)器人控制柜通訊模塊DSQC652通訊模塊的接線圖

3 自動(dòng)化生產(chǎn)線的軟件編程控制設(shè)計(jì)

整個(gè)生產(chǎn)線控制流程如圖4所示。從流程中可看出，PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制著系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并針對(duì)具體的情況進(jìn)行指令發(fā)布，工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床和電氣設(shè)備根據(jù)設(shè)定的相關(guān)信息的輸入輸出指令，分別由PLC、工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控車床三部分的程序調(diào)動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作。

3.1 PLC控制設(shè)計(jì)

本自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是由2臺(tái)三菱PLC組成，通過(guò)RS485通訊模塊構(gòu)成N:N網(wǎng)絡(luò)通信，以達(dá)到動(dòng)作的協(xié)調(diào)和信號(hào)的傳遞。控制流程如圖5所示。編寫(xiě)程序控制時(shí)設(shè)0#PLC為主站，1#PLC為從站，從站個(gè)數(shù)為1個(gè)，通信的軟元件點(diǎn)數(shù)的刷新模式為1，重試次數(shù)設(shè)定3次，通信超時(shí)設(shè)置50 ms。設(shè)置超時(shí)與二臺(tái)PLC的安裝距離有關(guān)，距離越長(zhǎng)，設(shè)置時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4 自動(dòng)化生產(chǎn)線控制主流程圖

圖5 PLC控制流程圖

3.2 工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人由于具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，所以可做點(diǎn)位和連續(xù)軌跡。其中點(diǎn)位只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、一般搬運(yùn)和裝卸等作業(yè)。因此，自動(dòng)生產(chǎn)線機(jī)加工的原料到機(jī)床、機(jī)床到翻轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)床到傳送帶、傳送帶到零件倉(cāng)儲(chǔ)的作業(yè)都由工業(yè)機(jī)器人完成。現(xiàn)以1#工業(yè)機(jī)器人控制智能分揀碼垛入庫(kù)單元說(shuō)明其編程思路，如圖6所示。

3.3 數(shù)控車床機(jī)加工控制設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)控車床準(zhǔn)備好以后，向機(jī)器人發(fā)送信號(hào)，機(jī)器人接收信號(hào)動(dòng)作將原材料送至車床夾盤(pán)夾緊后，機(jī)械臂退出并關(guān)上數(shù)控門(mén)后，由數(shù)控門(mén)限位開(kāi)關(guān)發(fā)出數(shù)控加工指令。機(jī)加工的自動(dòng)加工過(guò)程，依不同加工材料、元件、精度而有所不同，所走的軌跡是不同的，它由數(shù)控具體的編程決定，但流程是一樣的，如圖7所示。

圖6 1#機(jī)工業(yè)機(jī)器人控制智能分揀碼垛入庫(kù)流程圖

圖7 數(shù)控機(jī)加工流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)加工自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試和使用，滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所需，控制過(guò)程邏輯準(zhǔn)確，材料零件傳送到位，抓取精度高，各個(gè)動(dòng)作和執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并可以連續(xù)不間斷地運(yùn)行24小時(shí)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，具有一定經(jīng)濟(jì)和推廣價(jià)值。

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