基于I/O點的Fanuc數控系統與ABB工業機器人通信與控制

于聯周 李 曼 張 波

（1.沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167；2.蘇州怡合達自動化科技有限公司，江蘇 昆山 215341）

0 引言

數控機床是數字控制機床的簡稱，是裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠有邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序并對其進行譯碼，將其轉換為代碼化的數字，通過信息載體輸入數控裝置[1]。經過運算和處理，由數控裝置發出各種控制信號，從而控制機床的動作，按照圖紙要求的尺寸和輪廓自動加工零件。數控機床可以較好地解決精密、復雜、多品種以及小批量的零件加工問題，具有高效能、柔性的特點，它代表現代化機床控制的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。Fanuc 數控系統是現代生產中最常見的數控系統之一，可最多實現5 軸聯動且具備高精度CS 輪廓控制及AI 輪廓控制，同時具備高性能FSSB串行伺服總線，在工業自動化領域處于國際一線水平。

工業機器人一般在機械制造業中代替人完成大批量、高質量要求的工作，例如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產品以及化工等行業自動化生產線（點焊、弧焊、噴漆、切割以及電子裝配）和物流系統（搬運、包裝以及碼垛）中的相關工作[2]。國際標準化組織（ISO）將工業機器人定義為具備自動控制和重復編程功能，可以多自由度開展工作的操作機，它能通過搬運材料、工件或操持工具來完成各種作業[3]。ABB 工業機器人作為機器人領域四大家族成員之一，是工業領域最常用的機器人之一。

1 我國自動化發展現狀

近年來，我國的自動化水平發展迅速，主要體現在以下2 個方面：1） 國家的大力支持。工業發達城市基本上都實施產業升級、機器換人等相關戰略規劃，也出臺了一些扶持政策。2） 從產業結構來看，新能源、汽車、家電以及消費電子這些行業的自動化程度相對比較高，主要是因為這些產業的產品附加值相對比較高。自動化程度的高低可以反映一個行業的整體發展水平，自動化程度越高，整體發展水平也越高。隨著我國人口紅利逐步消失，工業領域的用工成本也越來越高，因此自動化取代人力勞動已成不可逆的趨勢。

數控機床自動化多采用PLC 進行總線控制，這種適合大型生產線的生產與規劃對單島型數控機床與單臺機器人來說容易造成浪費PLC 資源的現象，同時在控制過程中，通過PLC 總線控制，會出現0.08 ms 的系統T 圖掃描延時。因此，該文提出一種針對單島型數控機床與單臺工業機器人連接控制的方式，即將數控系統作為上位機，通過數控機床I/O 點與工業機器人I/O 點進行通信，從而達到協作運動的目的，最終通過數控機床的數控程序，在相應節點控制機器人完成規定的動作，可控制機器人完成數控機床的自動化上下料或其他類似動作，進而完成整個動作循環。

2 I/O 點介紹

2.1 數控機床I/O 點

該文以沈陽機床VMC850E 為例，該設備系統選用Fanuc-Oi-MF 數控系統，設備共配置24 個輸入點，可以對外部信號進行識別與讀取，分別為X4.0～X4.7、X8.0～X8.7 以及X9.0～X9.7，共計24 個輸入信號點。在24 個輸入信號中，可分配給用戶使用的為X4.6、X4.7、X8.6、X8.7、X9.6 以及X9.7，而X4.7 多數作為探頭及對刀儀的快速跳轉信號，一般不作為其他設備的輸入點，該文選用X8.6、X8.7、X9.6 以及X9.7 作為外部信號的輸入點。選用Y2.0、Y2.1 作為外部信號的輸出點。

2.2 ABB 工業機器人I/O 點（IRB120）

IRB120 Compact 控制器包括附加軸A-XS8、電源電纜連接器、連接器B-XS4 FlexPendant、連接器C-XS7 I/O、安全連接器D-XS9、電源電纜連接器E-XS1、電源輸入連接器F-XS0、電源連接器G-XS10、連接器H-XS11 DeviceNet、信號電纜連接器I-XS41、信號電纜連接器J-XS2、軸選擇器連接器K-XS13、附加軸L-XS12 以及信號電纜連接器。如圖1 所示。

圖1 IRB120 Compact 控制器

該文所用到的I/O 連接器XS7 是指機器人控制柜端的連接器，與之對應的客戶接線端連接器為XP7。XP7 的1～8端子對應的是XS7 的1～8 號，即DSQC652 的do1～do8 的輸出信號；9～10 號端子對應的是XS7 的9～10 號，9 號接0 V，10 號接24 V；11～18 號端子對應的是XS7 的11～18 號，即DSQC652 的do9～do16 的輸出信號；19～20 號端子對應的是XS7 的19～20 號，因為其在內部已與9～10 號短接好，所以連接時可忽略；21～28 號端子對應的是XS7 的21～28 號，即DSQC652 的di1～di8 的輸入信號；29～30 號端子對應的是XS7的29～30 號，29 號接0 V，30 號為空；31～38 號端子對應的是XS7 的31～38 號，即DSQC652 的di9～di16 的輸入信號；39～40 號端子對應的是XS7 的39～40 號，因為其在內部已經與29 號短接好，所以連接時可忽略[4]。

3 數控機床PMC、機器人程序及線纜連接

3.1 數控機床PMC 及程序

FANUC 數控系統中F 信號是系統側的輸入信號，G 是系統側的輸出信號，X 是機床外部輸入信號，Y 是機床外部輸出信號，其關系如圖2 所示。

圖2 數控機床信號關系圖

3.1.1 通過外部信號進行程序選擇

數控機床外部信號只能通過數控機床I/O 板傳遞給PMC，而不能直接傳給CNC，如果想在數控程序中識別外部輸入信號，那么可以通過PMC 將外部輸入的X 信號轉換為G 信號，再通過系統變量與G 信號建立關系，最后通過用戶宏變量訪問系統變量，從而獲得數控程序可讀取的信號。系統變量與G 信號的對應關系見表1，系統變量與F 信號的對應關系見表2。

表1 系統變量與G 信號對應關系

表2 系統變量與F 信號對應關系

在Fanuc 數控系統中，需要將ABB 工業機器人的輸出點作為數控機床的外部信號點并與系統變量#1000、#1001、#1002 以及#1003 建立聯系，將該機器人的輸出點接入數控機床的X8.7、X9.7，采用二進制讓系統讀取外部信號輸入點，在PMC 中通過X8.7、X9.7 與G54.0-G54.3 建立連接，信號點見表3，T 型圖如圖3 所示。如果在數控程序中調用4 個程序不能滿足生產需求，再引入其他輸入點或擴充輸入點。

圖3 信號X 信號G 連接關系T 型圖

表3 輸入信號與系統變量對應關系

在程序中，將系統變量#1000、#1001、#1002 以及#1003賦值給用戶變量#1、#2、#3 以及#4，進而在程序中使用相關變量，當#1 為1 時，程序調用O1101 子程序；當#2 為1時，程序調用O1102 子程序；當#3 為1 時，程序調用O1103子程序；當#4 為1 時，程序調用O1104 子程序。數控系統的程序如下。

3.1.2 通過外部信號重新啟動M00

數控程序在遇到暫停程序指令（M00）后，會進入無條件暫停狀態，直到有信號再次激發CYCLE_START（G7.2）信號，中間繼電器R326.6 一次得電就可以再次啟動數控程序。在T 型圖中，R1056.4 為矩陣面板中的循環啟動按鍵，通過R1056.4 可控制線圈R326.6。

為了實現通過X8.6、X9.6 對線圈R326.6 進行控制的目標，將其并聯到R1056.4 上，當工業機器人輸出相應指令時，通過X8.6 或X9.6 再次啟動數控程序，如圖4 所示。

圖4 X8.6、X9.6 并聯T 型圖

在Fanuc 矩陣面板中，中間繼電器R10.7、R11.0、R11.1以及R11.2 分別對應輔助功能代碼M10、M11、M12 以及M13，為方便通過數控程序輸出外部信號，在PMC 中將其與機床輸出信號連接在一起，T 型圖如圖5 所示。之后將機床輸出點信號Y2.0、Y2.1 連接到工業機器人的輸入點并與機器人進行通信。

圖5 機床輸出信號T 型圖

3.2 ABB 工業機器人程序

在工業機器人中，可以接收數控機床的外部輸出信號Y作為ABB 工業機器人的輸入信號di，同時還可以輸出信號do，作為數控機床的外部輸入信號X，其接線連接如圖6 所示。

圖6 機器人與數控機床線纜連接圖

4 結論

該文介紹了ABB 工業機器人與Fanuc 系統數控機床進行通信連接的方式，在使用過程中，須靈活處理，例如根據調用程序的多少，可適當增減數控機床程序控制輸入點個數。同時，通過二進制編程方式對T 型圖進行更改。當控制數控M00 時，該文采用T 型圖與循環啟動開關并聯的方式進行再次啟動，可以為數控機床與ABB 工業機器人通信配合使用提供參考。