李維臣，沙 偉，孫德志，李瀟霖

(大連四達(dá)高技術(shù)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116023)

0 引言

飛機(jī)制造業(yè)是高技術(shù)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其對(duì)科技進(jìn)步和創(chuàng)新具有廣泛持久的牽引作用[1-2]。為有效地保證制造精度和提升加工效率，目前在飛機(jī)制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，普遍采用了性能先進(jìn)、功能完善的大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行重要零部件的加工，與之相比，我國(guó)在該領(lǐng)域的加工裝備水平還存在一定的差距。

國(guó)內(nèi)某飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間，已配備了大型五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床配置西門子SINUMERIK 840D Powerline數(shù)控系統(tǒng)以及安裝于機(jī)床本體外的鏈?zhǔn)降稁?kù)，但未使用840D系統(tǒng)刀具管理功能，刀具管理信息單一，同時(shí)該刀庫(kù)采用液壓換刀機(jī)構(gòu)，存在運(yùn)動(dòng)速率慢，換刀時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足高效的數(shù)字化加工要求，因而對(duì)刀庫(kù)的升級(jí)迫在眉睫。

本文根據(jù)飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)字化車間的實(shí)際情況，提出采用KUKA工業(yè)機(jī)器人結(jié)合840D刀具管理實(shí)現(xiàn)換刀功能。數(shù)控系統(tǒng)連接機(jī)器人并且通過(guò)NC代碼啟動(dòng)換刀[3]。使用機(jī)器人換刀其優(yōu)點(diǎn)在于刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠承載大型刀具，針對(duì)尺寸長(zhǎng)的刀具還便于實(shí)現(xiàn)路徑避讓，因而使換刀更加靈活快捷。升級(jí)后將KUKA機(jī)器人應(yīng)用于西門子840D刀庫(kù)管理系統(tǒng)中，取得了良好的效果，解決了換刀卡頓等問(wèn)題，機(jī)器人結(jié)合AGV車取代了以往人工裝卸刀及運(yùn)輸，可完全實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)化裝卸和運(yùn)輸，減少人力成本，滿足了數(shù)字化加工要求。

1 機(jī)床加工系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

升級(jí)前機(jī)床加工系統(tǒng)只與ERP服務(wù)器組網(wǎng)連接；無(wú)MES、管控物流、機(jī)床上下料及AGV；機(jī)床采用包含20個(gè)刀位的鏈?zhǔn)降稁?kù)但無(wú)刀具管理功能；物料及刀具均人工裝卸。刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)、液壓組成，它們?cè)跀?shù)控系統(tǒng)控制下，驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)和機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)刀具的選擇與交換[4]。

升級(jí)改進(jìn)后機(jī)床加工系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

針對(duì)系統(tǒng)中主要的3個(gè)構(gòu)成部分，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

(1)機(jī)床系統(tǒng)：配置840DPL的大型數(shù)控機(jī)床，使用刀具管理功能。

(2)刀具室：包含配刀系統(tǒng)，刀具AGV車以及光通訊模塊。

(3)機(jī)床上下料/刀庫(kù)單元：新增刀庫(kù)組件和自動(dòng)上下料裝置，與機(jī)床系統(tǒng)的連接采用DP/DP COUPLER進(jìn)行DP通訊連接，與KUKA機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)連接使用倍福模塊EL6695進(jìn)行ETHERCAT通訊連接。刀庫(kù)1采用壁掛刀架式結(jié)構(gòu)，無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置，包含36個(gè)刀位以及3個(gè)裝載位置；刀庫(kù)2(刀架)包含12個(gè)刀位由AGV運(yùn)輸；系統(tǒng)采用KUKA 7軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝卸刀和換刀；換刀機(jī)構(gòu)采用單爪氣動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)；系統(tǒng)和刀具AGV車采用光通訊方式通訊。

刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀庫(kù)三維結(jié)構(gòu)

2 840D刀具管理功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 840D Powerline參數(shù)設(shè)定

使用西門子840D刀具管理功能需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[5-8]。按照刀庫(kù)配置表(見(jiàn)表1)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

表1 刀庫(kù)配置表

2.2 840D Powerline 刀庫(kù)配置

參數(shù)的設(shè)定只是給NC分配了相應(yīng)的內(nèi)存空間用于刀具管理，還需對(duì)刀庫(kù)的配置進(jìn)行組態(tài)。對(duì)于刀庫(kù)配置組態(tài)有兩種方式，一種方式是通過(guò)運(yùn)行NC程序?qū)ο到y(tǒng)變量進(jìn)行賦值，另外一種方式是通過(guò)HMI-Advanced的主畫(huà)面中按軟鍵“啟動(dòng)”(Start-up)，進(jìn)入啟動(dòng)調(diào)試子界面，按下右下角軟鍵“刀具管理”(Tool management)進(jìn)入刀庫(kù)組態(tài)界面，根據(jù)刀庫(kù)配置對(duì)刀庫(kù)進(jìn)行組態(tài)。本項(xiàng)目使用第一種方式。

2.3 PLC接口信號(hào)應(yīng)答

刀庫(kù)配置程序運(yùn)行后還需要在PLC中設(shè)定刀庫(kù)接口數(shù)據(jù)塊DB4，建議在OB100中編寫(xiě)DB4的程序。按照刀庫(kù)配置，對(duì)DB4進(jìn)行賦值。

刀具管理的操作信息通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳遞到PLC，PLC通過(guò)數(shù)據(jù)接口響應(yīng)刀具管理的請(qǐng)求。刀庫(kù)配置程序及DB4設(shè)定完成之后會(huì)在PLC中生成相應(yīng)的PLC接口信號(hào)(DB71、DB72等)，通過(guò)采集這些數(shù)據(jù)接口的信號(hào)，編寫(xiě)相應(yīng)的PLC程序，控制刀庫(kù)動(dòng)作，再通過(guò)使用FC8功能塊刷新刀具信息。

2.3.1 PLC-NCK數(shù)據(jù)接口說(shuō)明

刀具管理的PLC-NCK數(shù)據(jù)接口如圖3所示，其中：

(1)DB71：DB71是用于刀具裝載、卸載、重新定位、定位至換刀點(diǎn)時(shí)需要的接口信號(hào)數(shù)據(jù)塊，其數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度與裝載點(diǎn)的組態(tài)數(shù)量有關(guān)。

(2)DB72：DB72是刀具交換(包括手動(dòng)裝刀、手動(dòng)卸刀、自動(dòng)刀具準(zhǔn)備、自動(dòng)刀具交換)時(shí)需要的接口信號(hào)數(shù)據(jù)塊，該塊的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與組態(tài)的主軸數(shù)量有關(guān)。

(3)FC8：刀具管理的傳遞塊[9]。當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)(裝刀/卸刀、換刀)，使用該功能塊。“多刀”情況下使用 FC6。FC6 與 FC8 的功能相同，但它還具有多刀功能。

圖3 刀具管理接口

2.3.2 PLC響應(yīng)流程

第1步：要判斷刀具管理PLC接口信號(hào)哪個(gè)信號(hào)有請(qǐng)求？

第2步：根據(jù)有請(qǐng)求的接口信號(hào)提供的數(shù)據(jù)通知KUKA機(jī)器人做相應(yīng)的動(dòng)作。

第3步：等待KUKA機(jī)器人的相關(guān)動(dòng)作完成信號(hào)。

第4步：通過(guò)FC6或FC8功能塊響應(yīng)NC，通知NC動(dòng)作已完成，繼續(xù)下一步。

3 KUKA機(jī)器人配置

KUKA機(jī)器人使用KRC4系列KR60，相當(dāng)于刀庫(kù)的換刀機(jī)構(gòu)，配置第7軸用于擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)空間，配置EtherCAT接口用于和倍福PC通訊， KUKA機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在刀庫(kù)中的使用必須要配置KUKA外部自動(dòng)程序。在倍福PC側(cè)編寫(xiě)外部自動(dòng)程序來(lái)控制KUKA機(jī)器人進(jìn)程，在KUKA機(jī)器人側(cè)需要配置CELL.SRC程序及外部自動(dòng)運(yùn)行輸入輸出接口。KUKA側(cè)配置外部自動(dòng)運(yùn)行程序后，按照刀具操作的任務(wù)在外部程序中進(jìn)行各個(gè)任務(wù)的模塊化程序編程，控制KUKA機(jī)器人做相應(yīng)的動(dòng)作及響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)刀具操作的動(dòng)作流程。

3.1 KUKA機(jī)器人外部自動(dòng)信號(hào)接口

配置外部PLC(倍福PC)與機(jī)器人自動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)之前，需要了解PLC與機(jī)器人有哪些接口信號(hào)，這些信號(hào)都有哪些作用，接口信號(hào)的控制原理。通過(guò)外部PLC對(duì)機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行控制，其控制原理是：外部PLC(倍福PC)通過(guò)外部自動(dòng)運(yùn)行接口向機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)出機(jī)器人進(jìn)程的相關(guān)信號(hào)(如：運(yùn)行許可、故障確認(rèn)、程序啟動(dòng)等)，機(jī)器人控制系統(tǒng)向外部PLC(倍福PC)系統(tǒng)發(fā)送有關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)的信息。

3.2 機(jī)器人外部啟動(dòng)時(shí)序

機(jī)器人與倍福PLC IO交互信號(hào)配置好后，按照啟動(dòng)時(shí)序在PC側(cè)編寫(xiě)相應(yīng)的PLC程序，機(jī)器人的啟動(dòng)時(shí)序主要分為4步。

(1)接通驅(qū)動(dòng)裝置 。

(2)確認(rèn)報(bào)警信息 。

(3)啟動(dòng) Cell 程序 。

(4)傳遞程序號(hào)并處理應(yīng)用程序 。

3.3 機(jī)器人任務(wù)程序編寫(xiě)

刀具管理的任務(wù)分為刀庫(kù)裝刀任務(wù)，刀庫(kù)卸刀任務(wù)，刀庫(kù)刀具移位任務(wù)，夾爪排空任務(wù)，主軸無(wú)刀換新刀任務(wù)，主軸有刀換新刀任務(wù)，主軸有刀卸舊刀任務(wù)，刀庫(kù)與AGV刀具移位任務(wù)。KUKA機(jī)器人程序按照動(dòng)作流程對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行模塊化編程。執(zhí)行任務(wù)時(shí)調(diào)用相應(yīng)程序模塊，每一步的動(dòng)作完成都通過(guò)交互信號(hào)反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)再根據(jù)反饋信號(hào)刷新刀具表，保證動(dòng)作和刀具表的數(shù)據(jù)一致。除此之外KUKA機(jī)器人程序還包括中斷程序用于處理急停故障等情況。

表2列出了機(jī)器人的主要交互數(shù)據(jù)信號(hào)。

表2 刀庫(kù)主要交互信號(hào)表

4 換刀子程序L6的編制與實(shí)現(xiàn)

刀庫(kù)的裝刀，缷刀，重新定位功能在PLC中編好程序，結(jié)合數(shù)控的HMI中的刀庫(kù)管理界面操作就可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作及功能。對(duì)于換刀的功能還要編寫(xiě)名稱為L(zhǎng)6的換刀子程序，當(dāng)NC程序中執(zhí)行M6代碼時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用L6換刀子程序。在編寫(xiě)L6換刀NC程序時(shí)可以使用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中的M代碼、H代碼、邏輯控制、系統(tǒng)變量、跳轉(zhuǎn)、R參數(shù)、通用接口信號(hào)等來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程中的邏輯控制及刀庫(kù)刀具表刷新的相關(guān)操作。L6換刀程序的編寫(xiě)需要考慮到程序控制中的各種情況諸如計(jì)算搜索、模擬、測(cè)試，當(dāng)執(zhí)行這些程序操作時(shí)，刀庫(kù)不進(jìn)行動(dòng)作，防止誤動(dòng)作。

L6換刀流程如圖4所示。

圖4 L6換刀流程

根據(jù)換刀流程編寫(xiě)L6的程序，L6中會(huì)用到一些840D系統(tǒng)的NC變量和指令(見(jiàn)表3)，利用這些NC變量和指令就可以實(shí)現(xiàn)L6換刀程序中的各種條件判斷和動(dòng)作處理[10]。

表3 NC變量及指令表

L6換刀子程序中按照換刀的流程分成主軸無(wú)刀換新刀任務(wù)、主軸有刀換新刀任務(wù)、主軸有刀卸舊刀任務(wù)。每個(gè)任務(wù)都是按照動(dòng)作順序進(jìn)行執(zhí)行，動(dòng)作不執(zhí)行完成NC程序處于等待狀態(tài)，動(dòng)作完成信號(hào)響應(yīng)后再執(zhí)行下一步NC程序，這樣處理避免了誤動(dòng)作的發(fā)生，保證了刀具表的準(zhǔn)確性。

5 自動(dòng)裝卸刀功能編制與實(shí)現(xiàn)

刀具的自動(dòng)裝卸功能，需要管控系統(tǒng)(ERP/MES)、刀具AGV車、機(jī)床系統(tǒng)、KUKA機(jī)器人協(xié)調(diào)工作才能完成。具體操作步驟分6步。

第1步：首先管控系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床與設(shè)備的信息，生成刀具裝載或卸載機(jī)床NC子程序文件，下發(fā)至機(jī)床系統(tǒng)。

第2步：物流系統(tǒng)調(diào)度AGV車執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)。

第3步：AGV運(yùn)輸?shù)都艿轿缓蟾嬷獧C(jī)床執(zhí)行裝卸主程序。

第4步：機(jī)床裝卸主程序中調(diào)用管控下發(fā)的裝卸子程序，告知KUKA機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)與啟動(dòng)信號(hào)。

第5步：KUKA機(jī)器人按照動(dòng)作執(zhí)行裝卸刀動(dòng)作，數(shù)控系統(tǒng)刷新刀庫(kù)數(shù)據(jù)表。

第6步：裝卸完成后告知AGV離開(kāi)。

5.1 管控系統(tǒng)生成子程序?qū)崿F(xiàn)

管控系統(tǒng)需要生成兩個(gè)子程序分別為裝刀程序和卸刀程序。子程序的生成通過(guò)Visual Studio編程的軟件實(shí)現(xiàn)。生成的子程序中包含刀庫(kù)數(shù)據(jù)、刀具數(shù)據(jù)、刀沿?cái)?shù)據(jù)等系統(tǒng)變量。

5.2 機(jī)床自動(dòng)裝卸刀主程序?qū)崿F(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝卸刀功能，機(jī)床840D系統(tǒng)要編輯兩個(gè)NC主程序，分別為裝刀程序和卸刀程序。當(dāng)?shù)毒逜GV到位且管控系統(tǒng)下發(fā)執(zhí)行命令時(shí)，840D系統(tǒng)分別調(diào)用相應(yīng)的主程序，執(zhí)行裝卸刀動(dòng)作。主程序的編制要使用刀庫(kù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)變量、$A_DBW 變量及GETFREELOC等系統(tǒng)命令實(shí)現(xiàn)。裝卸刀程序的編寫(xiě)要按照動(dòng)作流程編寫(xiě)，防止誤動(dòng)作發(fā)生，保證設(shè)備安全。

6 總結(jié)

本文提出了KUKA機(jī)器人機(jī)構(gòu)結(jié)合840D系統(tǒng)針對(duì)老舊機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的改造升級(jí)方案，詳細(xì)論述了840D刀具管理功能的實(shí)現(xiàn)，KUKA機(jī)器人配置，換刀子程序的編制等技術(shù)要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該升級(jí)方案的實(shí)施不僅實(shí)現(xiàn)了高效的自動(dòng)裝卸刀具及運(yùn)輸功能，還減少了人力成本，避免了人工操作錯(cuò)誤帶來(lái)的影響，滿足了數(shù)字化加工要求；同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)大型老舊機(jī)床的刀庫(kù)改造升級(jí)提供了現(xiàn)實(shí)可行的思路和方法。