阮廣東,呂新明，何彥虎 (湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000)

數(shù)控機床作為機加工的一種核心設(shè)備，在機械零部件切削加工中發(fā)揮著重要的作用.長期以來，數(shù)控機床僅是作為獨立的裸機投入到生產(chǎn)中.隨著智能制造時代的到來以及工業(yè)自動化程度的提高，數(shù)控機床已不再是單一獨立的加工設(shè)備，而是作為智能制造系統(tǒng)的一個核心環(huán)節(jié)和節(jié)點，和其它輔助設(shè)備如工業(yè)機器人、PLC聯(lián)網(wǎng)通信共同完成零部件的生產(chǎn)加工，從而實現(xiàn)零部件加工的無人化.

工業(yè)機器人作為一種重要自動化設(shè)備，是智能制造系統(tǒng)中的另一個重要環(huán)節(jié).在機械制造領(lǐng)域，工業(yè)機器人可用來完成沖壓、壓鑄、鍛造、機床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴涂、裝配等作業(yè)中的輔助動作[1]，如上下料等按預定軌跡運動的動作，從而可代替人完成重復、繁瑣、危險、勞動強度大、精度要求高的動作.在數(shù)控加工領(lǐng)域，利用工業(yè)機器人取代人進行上下料可實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下的高效率大批量生產(chǎn)、長時間作業(yè)，并能顯著降低制造成本[2-3].基于工業(yè)機器人的以上優(yōu)點，許多機加工密集的企業(yè)已完全或部分實現(xiàn)工業(yè)機器人與數(shù)控機床協(xié)同作業(yè)，許多大中專院校也相繼建立了利用工業(yè)機器人對數(shù)控機床上下料的實訓裝置.本文針對某工件，對某FUNUC數(shù)控加工中心進行基于ABB工業(yè)機器人上下料功能的改造.

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

利用ABB工業(yè)機器人對FUNUC數(shù)控加工中心進行上下料的改造中，ABB機器人直接和控制第六軸末端平行氣動手抓的電磁閥進行通信，包括發(fā)出信號控制其動作及檢測夾具的狀態(tài).上下料機器人通過PLC接收數(shù)控機床發(fā)送的信號[4-5]，通信內(nèi)容包括數(shù)控機床將門狀態(tài)、準備狀態(tài)、卡盤狀態(tài)、加工狀態(tài)等信息告知機器人，機器人進行上下料.數(shù)控機床通過同一臺PLC接收機器人發(fā)送的信號.信號內(nèi)容包括機器人上料完成回至準備位置發(fā)送使數(shù)控機床開始加工的信號、機器人取料完成使機床運動至準備狀態(tài)位置的信號、機器人放料完成發(fā)送使卡盤夾緊的信號、機床加工完成機器人夾緊工件發(fā)送使卡盤松開的信號.數(shù)控機床內(nèi)置PMC用來控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開關(guān)電磁閥、主軸吹氣電磁閥.表1定義了數(shù)控加工中心與工業(yè)機器人的聯(lián)絡(luò)信號，圖1給出了二者的聯(lián)絡(luò)流程圖，圖2為改造后的上下料機器人與數(shù)控機床實物布置圖.

2 系統(tǒng)硬件改造

2.1 機械改造

FUNUC數(shù)控中心在原有基礎(chǔ)上作了如下改造：增加了一扇安全門，由氣缸控制其開關(guān)，開關(guān)狀態(tài)由行程開關(guān)反饋給機器人；夾具改造為氣動卡盤，卡盤的開關(guān)由磁性開關(guān)反饋給機器人；在主軸末端增加了一個吹氣裝置；工業(yè)機器人第六軸末端增加了一平行氣動手抓.

表1 數(shù)控加工中心與工業(yè)機器人聯(lián)絡(luò)信號定義
Table1 The definition of contact signal between the NC machining center and the industrial robot

機器人信號名稱信號傳輸方向PLC地址數(shù)控機床PMC地址信號說明DI10＿01 ←Q0．0Y21．3機床準備DI10＿02 ←Q0．1Y21．4機床完成DI10＿03 ←Q0．2無卡盤開狀態(tài)DI10＿04 ←Q0．3無卡盤關(guān)狀態(tài)DI10＿05 ←Q0．4無門狀態(tài)DI10＿06 ←Q0．5無物料到位DI10＿07 ←Q0．6無成品已取料DO10＿08 →I0．0X8．5開始加工DO10＿09 →I0．1X8．7取料完成DO10＿10 →I0．2Y21．0卡盤開DO10＿11 →I0．3Y21．1卡盤關(guān)DO10＿12 →I0．4無等待物料DO10＿13 →I0．5X3．0加工完成

圖1 工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心聯(lián)絡(luò)流程圖Fig.1 The contact flow chart between the industrial robot and the NC machining center

圖2 改造后ABB工業(yè)機器人與FUNUC數(shù)控機床實物布置圖Fig.2 The physical layout of ABB industrial robot and FUNUC CNC machine tool after modification

2.2 氣路設(shè)計

在整個改造系統(tǒng)中，共有4個氣路，其中3個末端執(zhí)行機構(gòu)為氣缸，一個末端為吹氣裝置.圖3為3個氣缸的控制回路.

圖3 氣缸控制回路Fig.3 A cylinder control loop

2.3 電氣設(shè)計

改造系統(tǒng)中負責工業(yè)機器人通信的為ABB標準I/O板DSQC652，該板共有16個數(shù)字輸入信號和16個數(shù)字輸出信號，其中X1、X2為數(shù)字輸出接口，X3、X4為數(shù)字輸入接口.數(shù)字輸出接口中有2個引腳用來接電磁閥，驅(qū)動機器人氣缸動作，其它輸入與輸出接口分別用來和PLC進行通信，實現(xiàn)工業(yè)機器人和數(shù)控機床的協(xié)同動作.在數(shù)控機床與工業(yè)機器人之間增加PLC，一方面可以實現(xiàn)工業(yè)機器人和其它設(shè)備如AGV的無線通信，另一方面可以進行組網(wǎng)，實現(xiàn)多臺數(shù)控機床及機器人的信息共享.圖4為連接PLC與PMC的FX-50F分線器.數(shù)控系統(tǒng)和PMC相聯(lián)系，通過程序中的M代碼執(zhí)行使PMC輸出信號控制機床上電磁鐵的動作.圖5為工業(yè)機器人、PLC、PMC三者之間的通信示意圖.

圖4 數(shù)控機床上的FX-50分線器Fig.4 The FX-50 divider on NC machine tools

圖5 改造系統(tǒng)通信示意圖Fig.5 The sketch map of transforming communication system

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

工業(yè)機器人和數(shù)控機床作為主要執(zhí)行機構(gòu)在運行中需要各自的程序進行驅(qū)動.工業(yè)機器人和數(shù)控機床之間通過PLC進行通信，需要編寫通信程序，數(shù)控機床通過PMC程序驅(qū)動附加在機床上的電磁鐵動作.

3.1 工業(yè)機器人程序設(shè)計

工業(yè)機器人動作包括各關(guān)節(jié)的運動及末端平行手抓的開合，這些動作通過運行在工業(yè)機器人上的RAPID程序驅(qū)動.程序設(shè)計中首先要通過示教定義機器人運動的各個關(guān)鍵點， 包括接貨臺位置點、上下料中轉(zhuǎn)點、數(shù)控機床夾具附近取放料點.其中，接貨臺位置點及數(shù)控機床取放料點又包括目標點及相應準備點等.關(guān)鍵點確定之后，根據(jù)輸入輸出信號編制機器人上下料流程圖(如圖6所示).根據(jù)流程圖、關(guān)鍵點，編制工業(yè)機器人運動程序.

圖6 工業(yè)機器人上下料流程圖Fig.6 The flow chart of feeding and unloading of the industrial robot

工業(yè)機器人上料部分程序：

PROC main( )

WaitDI DI10_06, 1;

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v500, z10, CNC_TOOL;

Reset DO10_02;

PulseDOPLength:=2, DO10_01;

MoveJ Offs(JHT_QL,0,0,30), v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_09, 1;

MoveL JHT_QL, v50, fine, CNC_TOOL;

Reset DO10_01;

WaitTime 1;

Set DO10_02;

WaitTime 1;

MoveL Offs(JHT_QL,0,0,30), v50, fine, CNC_TOOL;

MoveJ JHT_QL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB001, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB50, v800, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_05, 1;

WaitDI DI10_01, 1;

MoveJ CNC_SL_ZB60, v800, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB70, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB110, v300, z10, CNC_TOOL;

MoveJ CNC_SL_ZB120, v300, z10, CNC_TOOL;

WaitDI DI10_03, 1;

MoveJ CNC_SL_JJ02, v100, z1, CNC_TOOL;

……

MoveJ SXL_ZB, v800, z10, CNC_TOOL;

ENDPROC

ENDMODULE

3.2 PLC梯形圖設(shè)計

在數(shù)控機床與工業(yè)機器人之間增加的PLC1200主要負責二者之間的通信工作，即信號在二者之間進行發(fā)送和接收，二者之間都要編寫接收和發(fā)送程序.上下料機器人接收機床信號的子程序如圖7所示.

圖7 工業(yè)機器人接收機床信號程序Fig.7 The program of industrial robots receiving machine signal

3.3 PMC梯形圖設(shè)計

PMC(Programmable Machine Controller)即數(shù)控機床內(nèi)置式PLC控制技術(shù).在數(shù)控機床中CNC是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心裝置，機床為最終執(zhí)行機構(gòu)，PMC是CNC與機床之間信息交換的平臺，CNC到PMC的地址為F，反之為G；PMC到機床的輸入信號為Y，反之為X[6].本文所進行的機床改造開發(fā)了如下輔助代碼M：安全門開關(guān)代碼、夾具松開夾緊代碼、主軸吹氣打開關(guān)閉代碼、機床準備代碼、開始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼.表2為開發(fā)的M代碼.PMC程序中，機床首先對M代碼進行譯碼，譯碼后的地址接通內(nèi)部繼電器Y，由內(nèi)部繼電器驅(qū)動外部繼電器[7-9].圖8為卡盤夾具開關(guān)PMC程序圖，夾具開代碼為M17，關(guān)代碼為M18，輸出內(nèi)部繼電器分別為Y0021.0、Y0021.1.

表2 FUNUC數(shù)控加工中心M代碼說明表
Table2 The description table of M code about FUNUC NC machining center

代碼功能類型說明M15安全門開M16安全門關(guān)M23機床吹氣開M24機床吹氣關(guān)CNC系統(tǒng)傳送至PMC的信號CNC系統(tǒng)信號傳送至PMCM17卡盤松開M18卡盤夾緊M51開始加工M53取料完成機器人傳送至機床的信號機器人信號通過PLC傳送至PMCM50機床準備M52加工完成機床傳送至機器人的信號CNC系統(tǒng)通過PMC傳至機器人

3.4 數(shù)控加工程序設(shè)計

根據(jù)開發(fā)的M代碼，結(jié)合零件圖紙信息，編制工件加工主程序及子程序.其中，主程序需要手動輸入，子程序可采用手動編程，也可采用軟件進行編程.編制的數(shù)控機床加工主程序程序號為O0001，調(diào)用的子程序號為O0002.主程序如下：

O0001；

G0X0Y0Z100；

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關(guān)

G54G90G00 X0 Y0 Z350；放料位置

M15；安全門開

M18；夾具開

N10 M50；準備

M17；夾具關(guān)

M51；開始加工

M16；安全門關(guān)

G4X3；暫停2s

M98P2；調(diào)用加工子程序

M23；吹氣5s

G4X5；

M24；吹氣關(guān)

G54G90G0X0 Y0 Z350；取料位置

M15；安全門開

M52；加工完成

M18；夾具開

M53；取料完成

GOTO 10；程序跳轉(zhuǎn)

M30；

圖8 數(shù)控機床夾具開關(guān)PMC程序圖Fig.8 The PMC program diagram about the switch of the tool fixture of NC machine

4 結(jié)束語

本文運用ABB工業(yè)機器人對數(shù)控加工中心上下料做了以下技術(shù)改造：

(1)在工業(yè)機器人第六軸末端增加了一平行氣動手抓；在數(shù)控加工中心上增加了一扇安全門，一臺氣動夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置.增加的裝置全部由氣路進行控制.

(2)為便于系統(tǒng)的升級、組網(wǎng)，在工業(yè)機器人與數(shù)控機床之間增加了一臺西門子PLC1200，從而實現(xiàn)了工業(yè)機器人和數(shù)控加工中心的通信，并可和其它設(shè)備如數(shù)控機床、PLC及上位機進行通信.

(3)系統(tǒng)啟動后，二者按各自的程序自動運行，通過信號傳輸實現(xiàn)數(shù)控機床和工業(yè)機器人協(xié)同動作.根據(jù)工作過程編寫了工業(yè)機器人的運行程序、數(shù)控機床主程序、PLC1200通信程序及數(shù)控機床PMC程序，從而實現(xiàn)了工業(yè)機器人的上下料.

實踐證明，改造后的數(shù)控加工中心能成功運用機器人進行上下料，從而可取代人完成惡劣工況下的作業(yè).在未來的智能工廠及無人工廠中，該改造技術(shù)亦可推廣運用到到其它設(shè)備的升級換代.

[1]許鵬輝．工業(yè)機器人在機械制造中的應用[J]．中外企業(yè)家，2015(9)：131-132．

[2]周永志，王義．工業(yè)機器人在數(shù)控機床中的應用[J]．金屬加工(冷加工)，2012(12)：28．

[3]梁殿勝，江文明．工業(yè)機器人在機床上下料和零部件搬運中的應用[J]．機電信息，2014(27):47-49．

[4]黃麗. PLC 在數(shù)控系統(tǒng)改造中的應用[J]．裝備制造技術(shù)，2009(3)：153-154．

[5]夏燕蘭．PLC在數(shù)控機床上的應用[J]．南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2002，2(2)：16-18．

[6]宋松，王悅，楊中力．圖解FANUC PMC編程與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[7]張愛紅．應用于自動生產(chǎn)線的數(shù)控機床改造設(shè)計[J]．制造業(yè)自動化，2014，36(8)：122-125．

[8]BEIJING-FANUC PMC梯形圖語言編程說明書[Z]．BEIJING-FANUC，2003：316-318．

[9]FUNUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D連接說明書(功能篇)[Z]．BEIJING-FANUC，2008：1 247-1 249．