摘要：根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求和飛幕ADIRC數(shù)控銑床功能要求，采用西門子S7-1200 PLC為主站，廣州數(shù)控GSK機(jī)器人為從站，主從站通過Modbus TCP通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床上下料工序，設(shè)計(jì)出了基于廣數(shù)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)。同時(shí)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成和軟件控制功能，該上下料控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工成本，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：廣數(shù)GSK機(jī)器人;S7-1200 PLC;上下料;數(shù)控銑床

中圖分類號：TP242.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0050-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.014

0? ? 引言

在工業(yè)4.0和“中國制造2025”背景下，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，智能制造業(yè)已經(jīng)邁入高速發(fā)展階段，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人可以應(yīng)用在各種各樣的生產(chǎn)活動(dòng)中，可以是在不同的單品生產(chǎn)線中，也可以是在不同的生產(chǎn)規(guī)模中，尤其是在一些柔性生產(chǎn)線上，其經(jīng)常被使用[1]。工業(yè)機(jī)器人具有精度高、靈活性強(qiáng)及可編程等特點(diǎn)，能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，將工業(yè)機(jī)器人引入實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，不僅可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還避免了大量工傷事故的發(fā)生。

隨著PLC技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械等技術(shù)的不斷融合，PLC的應(yīng)用范圍越來越廣，這也反過來促使PLC技術(shù)不斷朝多元素、多角度等綜合性應(yīng)用的方向發(fā)展[2]。本文將機(jī)器人控制技術(shù)和PLC控制技術(shù)相結(jié)合，分析數(shù)控銑床的加工工藝流程，設(shè)計(jì)數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控銑床上下料中代替人工勞動(dòng)，改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式，帶動(dòng)了工廠的轉(zhuǎn)型升級。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? ? 上下料控制系統(tǒng)概述

西門子S7-1200 PLC設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活，且具有功能強(qiáng)大的指令集，可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿足自動(dòng)化需求[3]，使用PLC設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可靠性更高。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，并考慮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，以西門子S7-1200 PLC和機(jī)器人為研究對象，將機(jī)器人和PLC控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于廣數(shù)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)，應(yīng)用于鋁合金門窗制造行業(yè)。

基于廣數(shù)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料系統(tǒng)主要是針對40～800 mm長度鋁合金型材半成品銑孔加工而開發(fā)的，采用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下料搬運(yùn)，系統(tǒng)前端與鋁合金型材切割設(shè)備出料口連接，中間段有鏈?zhǔn)骄彺嬖O(shè)備，后端與數(shù)控銑床對接實(shí)現(xiàn)型材銑孔加工工序，還配備掃碼設(shè)備，各環(huán)節(jié)設(shè)備通過輸送線體連接實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，形成一條完整的自動(dòng)化產(chǎn)線。

該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)型材自動(dòng)加工和連續(xù)生產(chǎn)，提高機(jī)械生產(chǎn)效率和質(zhì)量，而且能有效解決線上鋁合金型材的緩存煩瑣問題。

1.2? ? 上下料控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：PLC控制器、觸摸屏、掃碼設(shè)備、鏈?zhǔn)骄彺婕?、?shù)控銑床以及工業(yè)機(jī)器人，其硬件拓?fù)鋱D如圖1所示。觸摸屏采用威綸通MT8102iE觸摸屏，用于操作整個(gè)系統(tǒng)、設(shè)置相關(guān)參數(shù)以及顯示系統(tǒng)異常信息。PLC采用西門子S7-1214C PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，下發(fā)控制指令控制型材的輸送，與數(shù)控銑床信號交互實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取動(dòng)作控制等。掃碼設(shè)備選擇基恩士SR-1000掃碼器，與PLC通過Profinet進(jìn)行通信，用于掃描來料型材二維碼，識別讀取二維碼成功后，把型材條碼ID發(fā)送給PLC。機(jī)器人為廣州數(shù)控GSK RB35-2050機(jī)器人，機(jī)器人負(fù)責(zé)抓取輸送線體上待加工的型材到數(shù)控銑床進(jìn)行銑孔加工，以及從數(shù)控銑床抓取已加工完成的型材。鏈?zhǔn)骄彺婕苡糜诰彺娲庸さ匿X合金型材，解決線上鋁合金型材緩存煩瑣的問題，當(dāng)型材沒來得及加工或者數(shù)控銑床出現(xiàn)故障時(shí)，型材會先被緩存到鏈?zhǔn)骄彺婕苌?，待?shù)控銑床空閑時(shí)再進(jìn)行銑孔加工。數(shù)控銑床為飛幕ADIRC數(shù)控銑床，當(dāng)型材被抓取到加工工位時(shí)，根據(jù)型材的二維碼ID和加工文件數(shù)據(jù)匹配進(jìn)行銑孔加工，銑孔加工完成后再由機(jī)器人抓取進(jìn)行下料。

基于廣數(shù)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)從鋁合金型材來料輸送、中間緩存、加工上料、加工下料到出料輸送全程采用機(jī)械化，無須人工搬運(yùn)，減少了中間環(huán)節(jié)，對提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平起到了重要作用，還能降低人力勞動(dòng)成本。更重要的是，鋁合金型材精度和表面質(zhì)量大大提高，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? ? 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)具有很強(qiáng)的柔性，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，采用機(jī)器人上下料能有效降低用工成本和提高生產(chǎn)效率[4]。在傳統(tǒng)的數(shù)控銑床作業(yè)流程中引入機(jī)器人，對作業(yè)流程和控制方法加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新的控制流程。數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

首先，鋁合金型材被輸送到位后，掃碼器設(shè)備讀取型材上的二維碼信息，系統(tǒng)先根據(jù)型材條碼信息（條碼ID和加工數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)）判斷型材是否需要進(jìn)行銑孔加工。其次，如果不需要加工則通過出料線體輸送出料;若型材需要進(jìn)行銑孔加工，則先判斷數(shù)控加工中心是否有空閑的工位，若加工中心無空閑工位，則型材被輸送至鏈?zhǔn)骄彺婕苓M(jìn)行緩存。再次，鏈?zhǔn)骄彺婕芫彺嫘筒臄?shù)量大于1時(shí)，也進(jìn)行是否有空閑加工工位的判斷，若加工中心有空閑工位，則把型材通過線體輸送至相應(yīng)機(jī)器人工位。最后，當(dāng)機(jī)器人工位有等待抓取的鋁合金型材時(shí)，機(jī)器人把型材抓取到數(shù)控銑床加工工位進(jìn)行銑孔加工，待加工完成后機(jī)器人再從銑床加工工位把型材抓取至機(jī)器人工位，由輸送線體輸送至出料線體出料。如此往復(fù)循環(huán)，即可完成數(shù)控銑床上下料工序，從而提高設(shè)備加工效率。

2.2? ? 機(jī)器人控制流程設(shè)計(jì)

機(jī)器人通過示教器控制工具末端達(dá)到指定的位置和姿態(tài)，記錄機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，完成機(jī)器人在正常運(yùn)行加工中的軌跡規(guī)劃及位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)記錄[5]。機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)通過示教路徑軌跡再現(xiàn)方式，用最優(yōu)路徑運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床自動(dòng)上下料加工任務(wù)，能高效完成配合動(dòng)作，節(jié)省上下料搬運(yùn)時(shí)間。根據(jù)數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)控制功能要求，對機(jī)器人上下料控制流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。

3? ? 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

3.1? ? 系統(tǒng)間信號交互設(shè)計(jì)

數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)在博圖V16編程平臺上編寫PLC程序，PLC與機(jī)器人通過Modbus TCP進(jìn)行通信，數(shù)控銑床與上下料系統(tǒng)PLC通過I/O方式通信，通過信號交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)通。數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)信號交互流程如圖4所示。

首先，當(dāng)數(shù)控銑床空閑時(shí)，給PLC系統(tǒng)發(fā)送加工工位空閑信號。然后，待加工型材物料到位時(shí)，PLC給機(jī)器人發(fā)送上料抓取信號，機(jī)器人抓取型材至數(shù)控銑床，機(jī)器人反饋放料完成信號給PLC，PLC把此信號傳給數(shù)控銑床，同時(shí)PLC把該型材條碼ID發(fā)送給數(shù)控銑床工控系統(tǒng)。最后，數(shù)控銑床獲取到條碼ID數(shù)據(jù)后，與生產(chǎn)加工單數(shù)據(jù)匹配進(jìn)行銑孔加工，加工完成時(shí)，數(shù)控銑床給PLC發(fā)送加工完成信號，PLC收到此信號后把該信號傳給機(jī)器人，機(jī)器人到數(shù)控銑床抓取已加工的型材放至輸送線體，并反饋取料完成信號給PLC，PLC再把機(jī)器人取料完成信號反饋給數(shù)控銑床。

3.2? ? Modbus TCP通信設(shè)計(jì)

施耐德公司于1996年推出了基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議——Modbus/TCP[6]。目前，Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域最流行、應(yīng)用最廣泛的真正開放、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。上下料控制系統(tǒng)中西門子S7-1200 PLC與廣州數(shù)控機(jī)器人采用Modbus TCP通信方式，PLC作主站，機(jī)器人作從站，兩者之間通過S7-1200 CPU上的Profinet端口進(jìn)行通信，不需要增加額外的通信模塊。PLC通過MB_CLIENT指令對機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，Modbus TCP通信程序如圖5所示。

在參數(shù)設(shè)置時(shí)，當(dāng)MB_MODE模式為2時(shí)，把MB_

DATA_PTR數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)寫入到機(jī)器人系統(tǒng);當(dāng)MB_MODE模式為0時(shí)，把機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取到MB_DATA_PTR數(shù)據(jù)區(qū)。CONNECT參數(shù)為連接伙伴（機(jī)器人）參數(shù)，存放在“Robot”DB數(shù)據(jù)塊中，CONNECT參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4? ? 結(jié)語

針對數(shù)控銑床銑孔加工工藝要求，通過優(yōu)化改進(jìn)，利用PLC控制技術(shù)，采用廣州數(shù)控機(jī)器人上下料搬運(yùn)，設(shè)計(jì)出了基于廣數(shù)機(jī)器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在門窗制造行業(yè)某門窗廠銑床加工工序?qū)嶋H生產(chǎn)中得到應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)可行性高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能取代傳統(tǒng)人工操作模式，實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人上下料來控制設(shè)備加工節(jié)拍，減少人工誤差，極大地提高生產(chǎn)效率。

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收稿日期：2021-09-23

作者簡介：黎國飄（1994—），男，廣東陽江人，助理工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化應(yīng)用。