基于工業機器人的加工中心智能化改造方法研究

劉世國，操文芷，陳鐵友

（武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著裝備制造業向自動化、數字化、網絡化和智能化的方向發展，數控機床已不再是單一獨立的生產加工設備，需與工業機器人、檢測和監控設備、工業物聯網技術、數字信息技術等深度融合進行迭代升級，實現零部件的智能化加工，適應產品的個性化需求和小批量生產模式，提高生產加工的自動化水平和生產效率，降低工人的技術要求和人力成本，最重要的是改善產品質量，提升產品附加值[1]。

企業在智能制造轉型升級過程中，為了適應產品的個性化需求，滿足多品種、小批量零件加工的生產模式，需對現有的傳統數控機床進行智能化升級改造，組成最基本、最核心的智能加工單元，既能滿足智能化生產需要，又可提高設備利用率、節省成本[2，3]。因此，提出一種立式加工中心智能化升級改造的方法，通過聯調實現零件智能加工的完整過程，克服傳統獨立的數控機床存在的自動化程度低、連續操控性弱、勞動強度大等不足。

1 智能加工單元整體布局

為滿足企業產品自動化、智能化生產加工需求，現對已有的傳統數控機床進行智能化升級改造，從工件選取、機器人自動上下料、數字化加工、零件在線檢測、全程監控等環節實現完整的智能制造過程。待升級改造的FANUC 0iF PLUS 立式加工中心配置了刀庫、自動防護門和夾具，在此基礎上增加FANUC 工業機器人、料倉、PLC、數字化在線測頭、觸摸屏等必備的外圍設備，構成最基本、最核心的智能加工單元，所有設備布局如圖1 所示。

圖1 智能加工單元布局圖

2 智能加工單元硬件連接

改造后的智能加工單元由多種硬、軟件設備集成在一起，各設備之間通過網線連接，具體連接關系如圖2 所示。其中，機器人實現自動上下料，料倉用于存放工件，PLC 和路由器進行信號通訊，數字化在線測頭自動檢測零件加工尺寸，觸摸屏時時顯示設備運行狀態。

圖2 智能加工單元硬件連接

為了能使智能加工單元按照既定工藝流程執行，以路由器為數據交互中心，建立工業機器人、加工中心、PLC、料倉、觸摸屏在內的通訊網絡，其交互信號如表1 所示。

表1 智能加工單元交互信號

3 智能加工單元軟件設計

3.1 觸摸屏畫面開發

觸摸屏是人機交互的窗口，主要用于顯示工業機器人、加工中心（包括機床防護門和夾具）、料倉的運行狀態與報警信息。根據智能加工單元控制要求設計觸摸屏畫面（圖3），以數據交互中心為樞紐，將觸摸屏中的控制按鈕、狀態指示燈、數據顯示框與PLC 相應的變量連接，實現PLC 與觸摸屏的數據交換[4]。

圖3 觸摸屏畫面示例

3.2 料倉庫位定義與選擇

料倉共有三層、12 個庫位，適合存放方形和圓柱形工件。從下往上看，依次為A、B、C 三層，每層有4個庫位，從左向右看，依次為1、2、3、4 號，每個庫位后側安裝傳感器檢測庫位有無工件。

為了更好監視料倉庫位的工件信息，觸摸屏上設計料倉綠色表示庫位有料，灰色表示庫位無料，具體如圖3（b）所示。在執行機器人抓取工件時，有手動和自動兩種模式進行庫位選擇。手動模式下，在觸摸屏上手動指定機器人要抓取工件的庫位，若庫位顯示無料，則不可執行；自動模式下，機器人按照控制要求依次選擇，自動跳過無料倉位。

3.3 工業機器人自動上下料流程

工業機器人位于智能加工單元的中心，料倉和加工中心都在機器人的臂展范圍內，通過示教編程實現自動上下料，其流程如圖4 所示。在執行一個完整流程時，先判斷料倉庫位是否有工件，若料倉無工件，機器人不執行，一直處于等待料倉庫位有工件的信號；若料倉有工件，則根據抓取工件形狀（方形或圓柱形）選擇相應的手爪，方形工件選擇Ⅰ號手爪，圓柱形工件選擇Ⅱ號手爪，然后進入料倉抓取工件，將其送至機床側安裝在夾具上，待零件加工和檢測結束后，再將加工后的零件從機床側取回放至料倉，最后將手爪還回至手爪架。

圖4 機器人自動上下料流程

智能加工單元在自動模式下運行時，機器人會頻繁進出機床，為了避免機器人與機床防護門碰撞，保證自動上下料流程運行穩定、安全，通過設置FANUC機器人防止干涉區域，開發二者的安全聯鎖功能，設置信號DO115（輸出）和DI126（輸入）。若機器人在機床內部，機床防護門關閉不了，必須等待機器人運行至門外，防護門才能關閉；若機床防護門已關閉，機器人運動至門前必須停住，等待防護門打開，只有當防護門打開到位后，機器人繼續自動運行至機床內部。

3.4 FANUC 0iF PLUS 加工中心程序

智能加工單元核心是完成零件加工與尺寸，因此加工中心必須調用加工程序、執行在線檢測環節，在機器人自動上下料的輔助下完成整個智能加工流程。對加工中心而言，必須要定義M 代碼配合機器人自動上下料流程，編寫PMC 程序根據機器人選取的工件類型自動調用相應的零件加工程序。

（1）M 代碼定義，如表2 所示。

表2 機床側M 代碼

（2）加工程序自動調用。料倉A 層存放Ⅰ類零件、B 層存放Ⅱ類零件、C 層存放Ⅲ類零件，這三類零件的加工程序各不相同，若要在同一個智能加工流程中實現多品種零件生產加工，需在加工中心上編寫關于SUB40 指令的PMC 梯形圖，如圖5 所示。當機器人抓取A 層庫位工件時，R600.5 激活，調用加工程序O0001，加工Ⅰ類零件；當機器人抓取B 層庫位工件時，R600.6 激活，調用加工程序O0002，加工Ⅱ類零件；當機器人抓取C 層庫位工件時，R600.7 激活，調用加工程序O0003，加工Ⅲ類零件。

圖5 切換加工程序的梯形圖

4 實驗結果分析

按照上述智能化改造方法升級而成的智能加工單元，通過聯機調試驗證了智能化生產所需功能，并進行實驗對比。在實驗過程中，對照組與實驗組各分配毛坯9 個，其中Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類零件的毛坯各3個，對照組的毛坯放在機床附件的置物架，實驗組的毛坯分別放在料倉的A、B、C 層庫位。對照組采用未經改造的單臺機床，分別加工3 種類型零件的毛坯；實驗組則采用改造后的智能加工單元，連續加工3 種類型零件的毛坯。應用改造方法前后的功能指標對比如表3 所示，實驗結果表明：（1）改造后的智能加工單元自動化程度高，操作人員勞動強度極低，可靠性和生產效率高，平均節省時間約10%～ 15%；（2）數字化在線測頭自動檢測零件尺寸，測量精度高，檢測正確率100%；（3）滿足企業多品種、小批量零件連續加工需求。

表3 應用改造方法前后的功能指標對比

5 結論

（1）以現有的FANUC 0iF PLUS 立式加工中心為基礎，從硬件連接和軟件設計兩個環節進行智能化升級改造，改造方法充分利用現有設備、成本低，符合企業智能化生產轉型需求的現狀。

（2）改造后的智能加工單元能按照既定流程實現零件智能加工的完整過程，操作人員勞動強度低，重復操作減少，可靠性和生產效率高，尺寸檢測更精確，能滿足多品種、小批量零件加工需求。

（3）提出的智能化改造方法可實現智能加工單元的機器人自動上下料、數字化加工、零件在線檢測、全程監控等功能要求，能為制造企業對傳統數控機床的升級改造提供參考。