韓天勇，陳滿意，劉 波，朱自文，劉賢舉

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 工程實訓中心，湖北 武漢 430070)

目前，工業(yè)機器人與制造業(yè)的聯(lián)系愈發(fā)緊密，在生產(chǎn)作業(yè)中，相較于傳統(tǒng)的人力加工，機器人動作具有可重復性、加工效率高以及精度高的優(yōu)點，此外，工業(yè)機器人可替代工人去完成高難度的工作，從而降低生產(chǎn)成本。因此，在焊接、搬運、醫(yī)療保健以及在實訓教學等場合工業(yè)機器人被廣泛應用[1]。

在鋼材生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)機器人能自動適應捆緊圓形鋼材以及長方形鋼，并自主完成對鋼材的捆扎，替代工人完成對鋼材的打捆包裝，極大地提高了打捆效率和包裝質(zhì)量[2]；工業(yè)機器人在汽車制造領(lǐng)域主要完成焊接任務(wù)，該機器人一般由焊接小車、焊炬微調(diào)機構(gòu)、焊縫跟蹤傳感器、控制器和焊接電源等幾部分組成。通過與傳感器配合使用，工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)整車焊接，這有利于提高焊接精度[3]；在液晶平板搬運、立直，產(chǎn)品裝箱、碼垛等機器人應用上較為廣泛通過對工業(yè)機器人進行路徑規(guī)劃、結(jié)合視覺導航使加工單元進行避障，以及融合力反饋技術(shù)可準確實現(xiàn)物品搬運；此外，在實訓教學中，工業(yè)機器人結(jié)合不同設(shè)備進行教學，可實現(xiàn)相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)[4]。

工業(yè)機器人替代人工生產(chǎn)是未來制造業(yè)重要的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，也是未來實現(xiàn)工業(yè)自動化、數(shù)字化、智能化的保障[5-6]。

工業(yè)機器人可與不同設(shè)備結(jié)合構(gòu)建生產(chǎn)加工單元，使整個加工單元實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，從而實現(xiàn)全天候不間斷地進行生產(chǎn)加工，在保障生產(chǎn)質(zhì)量的同時能夠提高生成效率，以及進行多種產(chǎn)品生產(chǎn)。通過對工業(yè)機器人離線編程，它會根據(jù)程序設(shè)定的動作和軌跡進行運動，完成生產(chǎn)要求[7-8]。為機器人配備不同的末端執(zhí)行機構(gòu)可實現(xiàn)其與外界環(huán)境交流，使其適應不同的工作場合及生產(chǎn)要求，有利于發(fā)揮其高效率和高精度特性。

筆者通過將工業(yè)機器人與車銑復合加工中心聯(lián)合，構(gòu)建生產(chǎn)加工單元進行加工作業(yè)，來驗證工業(yè)機器人在復雜生產(chǎn)環(huán)境下工作的可靠性與穩(wěn)定性，以達到生產(chǎn)與教學的目的。

1 加工單元搭建及功能實現(xiàn)

1.1 加工單元組成

整個加工單元是由中控柜、機器人控制柜多功能工作臺、氣泵、工業(yè)機器人及車銑復合加工中心組成，如圖1所示。中控柜作為整個加工單元的“大腦”，通過工業(yè)以太網(wǎng)或Proinet通信方式與各設(shè)備進行通信，可實現(xiàn)與物料投放工作站、機器人和加工中心之間的信息交流[9-10]。

圖1 加工單元組成

1.2 工業(yè)機器人與車銑復合加工單元的連接

機器人是整個加工單元的核心設(shè)備，它主要實現(xiàn)上下料，要使機器人與各設(shè)備協(xié)同作業(yè)，首先需保證其能與PLC(programmable logic controller)間的正常通信。機器人通過Proinet通信與PLC進行信息交流。機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，在收到PLC發(fā)送的相關(guān)指令，完成夾持裝置的安裝，物料的搬運等功能。

雙方通信的步驟如下：

(1)設(shè)置硬件環(huán)境。在PLC端集成有Proinet通信口，在機器人端擴展相應的Proinet通信板。

(2)設(shè)備連接。通過網(wǎng)線將兩個設(shè)備直接相連。即把PLC和機器人控制柜之間通過網(wǎng)線直接連通。

(3)參數(shù)設(shè)置。在PLC端，安裝機器人所需的Proinet文件，并在組態(tài)窗口將機器人連接到Proinet網(wǎng)絡(luò)上。分別設(shè)置好兩者的IP地址，如將PLC端IP設(shè)置為192.168.01，機器人端IP設(shè)置為192.168.02。在完成設(shè)備的組態(tài)后，中控柜便獲得了通信的I/O地址，機器人控制柜設(shè)置好其IP地址，192.168.02。

(4)通信測試。在上述步驟完成后，PLC與機器人通信連接完畢，根據(jù)工作要求，PLC與機器人之間通過Proinet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交互，即PLC給機器人發(fā)送指令，機器人反饋信息給PLC。通過編寫PLC端與機器人端相應的程序，便可測試通信是否成功。待通信正常后，工業(yè)機器人便可協(xié)同加工中心、多功能工作臺等進行相關(guān)生產(chǎn)。

1.3 加工單元功能分析

PLC通過Proinet通信與各設(shè)備進行信號交互。物料工作站有不同的投料口，可以投送不同的物料，機器人從物料工作站運送物料至加工中心，加工中心完成對毛坯的車銑加工，最后再由機器人取出并將加工好的工件放在指定位置。加工單元功能如圖2所示。

圖2 加工單元功能

(1)功能選擇。PLC是設(shè)備的控制核心，其控制加工中心、多功能工作臺、機器人等執(zhí)行機構(gòu)的運行。通過外部自動運行接口便可用上級控制系統(tǒng)來控制機器人的進程，該系統(tǒng)向機器人控制柜發(fā)出機器人進程的相關(guān)信號 (運行許可、故障確認、程序啟動等)。此外，機器人控制柜可向上級控制加工系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)運行狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息。

(2)物料投放。工作臺上有多個料倉，料倉的控制器收到中控柜發(fā)送的指令，就會選擇相應的料口進行物料投遞。物料經(jīng)傳送帶運輸?shù)街付ㄎ恢煤?，傳送帶上的光電傳感器檢測到物料，就將檢測到的信號反饋給中控柜，再由中控柜發(fā)送指令給機器人，此時，機器人就會帶動夾持裝置準備夾持毛坯。

(3)物料搬運。夾持裝置通過氣泵供氣，安裝在機器人末端，其內(nèi)部有壓力傳感器。機器人收到中控柜發(fā)送的指令后，將會移動夾持裝置夾取物料，夾持裝置內(nèi)部的壓力傳感器在檢測到其與毛坯的接觸壓力后，通過建立通信，壓力傳感器會將檢測到的信號反饋給中控柜，再由中控柜控制夾持裝置的氣閥打開，并驅(qū)動夾持裝置夾緊毛坯，機器人將物料送入加工中心，隨后機器人運動至設(shè)定好的原點等待物料搬運。

(4)車銑復合加工。操作人員提前完成對加工中心編程，加工中心儲存編寫好的程序，通過安裝各種特殊刀具，即可實現(xiàn)對零件不同的車削和銑削要求。在機器人將毛坯送入加工中心卡盤后，機器人回到設(shè)定好的原點，中控柜發(fā)送指令給加工中心，加工中心利用車削功能完成對工件形狀的加工，銑削功能實現(xiàn)對工件型面加工及雕刻等功能。

1.4 工業(yè)機器人的功能實現(xiàn)

編程可實現(xiàn)機器人運動的可控性及動作的重復性，編程過程主要是控制機器人的位置、動作、速度及加速度等參數(shù)。以庫卡機器人為例，其使用的是庫卡機器人編程語言(KRL- KUKA robot language)，常見的編程方式如下：

(1)在線編程。利用機器人的示教器，可通過示教的方式實現(xiàn)。在示教器上選定該方式簡單方便、實時性好，但當代碼量較多時，編程過程較為繁瑣。

(2)離線編程。使用機器人的編程軟件在PC(personal computer)端進行編程。 該方法雖然編程效率高，也可以在線適配調(diào)整已運行的程序，但操作靈活性不及在線編程。

根據(jù)機器人不同的運動方式可選擇相應的指令實現(xiàn)編程。常見的運動方式有“點到點”、“軌跡逼近”、“直線”和“圓弧”，筆者選擇機器人編程軟件離線編程，并使用以上運動方式來控制機器人運動。機器人程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。部分參數(shù)說明如表1所示。

圖3 機器人程序結(jié)構(gòu)圖

表1 部分參數(shù)說明

1.5 PLC功能的實現(xiàn)

整個系統(tǒng)的控制都圍繞著PLC，通過工業(yè)以太網(wǎng)或Proinet通信實現(xiàn)PLC與各設(shè)備的信號傳遞，實現(xiàn)與各遠程I/O站、機器人的信號交互以及控制。此外，根據(jù)建立的通信， PLC可以實時接收不同設(shè)備及傳感器的反饋信號，整個加工單元中各設(shè)備經(jīng)PLC控制實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，這有利于實現(xiàn)產(chǎn)品加工自主化和高效化。

2 試驗驗證

為驗證該加工單元的合理性，筆者進行象棋加工試驗。其中，生產(chǎn)加工單元布局如圖4所示，在該加工單元中，PLC首先給多功能工作臺發(fā)送指令并選擇合適的料倉進行投料，傳送帶將毛坯運送至指定位置，紅外傳感器檢測到信號并反饋給PLC，隨后機器人收到指令安裝夾持裝置并準備將毛坯送入加工中心，夾持裝置的力傳感器檢測到力信號后將其反饋給PLC，隨后氣泵供氣，加工中心倉門打開，毛坯被送入加工中心，待毛坯正面刻字完成后，機器人將其取出并放置在翻轉(zhuǎn)工作臺，此時，半成品被翻轉(zhuǎn)，再次將其送入加工中心進行反面刻字，機器人將加工完畢的象棋放置在棋盤上的指定位置，最后放下夾持裝置，機器人返回原點，象棋加工完成。

圖4 加工單元布局圖

選用非洲紅花梨木作為毛坯，對其進行正反面刻字，時長大約20 min，加工好的成品如圖5所示。與傳統(tǒng)加工方式相比，在車銑復合加工單元中應用工業(yè)機器人，能有效提高毛坯在加工中心的安裝精度和效率，使得加工后的象棋精度更高，更美觀。

圖5 加工好的象棋成品

3 結(jié)論

(1)通過搭建機器人與車銑復合加工中心結(jié)合的加工單元完成象棋加工，該試驗有效證明了工業(yè)機器人與不同設(shè)備聯(lián)合作業(yè)時的優(yōu)勢，該單元不僅實現(xiàn)了各設(shè)備間的協(xié)同工作，更重要的是提高了工件的加工精度及生產(chǎn)效率。

(2)該加工單元的成功搭建，為中小型企業(yè)應用工業(yè)機器人提供了經(jīng)驗方法，有利于中小型企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本。

(3)該加工單元已經(jīng)成功應用于實訓教學，結(jié)合工業(yè)機器人與車銑復合加工中心的聯(lián)合作業(yè)，加強了學生對機器人及各種加工設(shè)備相關(guān)知識的理解，同時也為學生提供了操作平臺，這對于機器人相關(guān)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)提供了有效支持。