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        地軌機(jī)器人機(jī)床上下料控制技術(shù)

        2022-06-20 09:54:40張秀印
        金屬加工(冷加工) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)位生產(chǎn)線電動(dòng)機(jī)

        張秀印

        沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 遼寧沈陽(yáng) 110142

        1 序言

        地軌機(jī)器人機(jī)床上下料系統(tǒng)包括上下料機(jī)器人、機(jī)械手和桁架裝置等,可自動(dòng)完成上料、下料任務(wù),同時(shí)可以完成加工件的準(zhǔn)確定位、測(cè)量及檢測(cè)等復(fù)雜工序,提高效率,降低風(fēng)險(xiǎn),有效提高了集成度。

        地軌作為機(jī)器人的一個(gè)行走輔助機(jī)構(gòu),也快速發(fā)展起來(lái),在一些空間復(fù)雜、工件尺寸大的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛,可以作為機(jī)器人的第七軸,也可以由PLC驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)控制[1-3]?,F(xiàn)以一條主軸生產(chǎn)線為例,分別介紹地軌機(jī)器人機(jī)床上下料控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制流程。

        2 地軌控制

        地軌主要是配合機(jī)器人完成生產(chǎn)線上各機(jī)床的上下料,采用直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu),動(dòng)力驅(qū)動(dòng)依托伺服電動(dòng)機(jī)、減速器和齒輪齒條來(lái)完成,地軌控制部分如圖1所示,包括地軌PLC、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、料架和機(jī)器人控制柜,與主控PLC實(shí)時(shí)通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

        圖1 地軌控制示意

        設(shè)備啟停屏操作畫(huà)面如圖2所示,可完成設(shè)備啟停、模式切換及伺服設(shè)置等功能。位置代碼顯示主控要求調(diào)度的位置,包括料位位置和機(jī)床位置;物料代碼顯示當(dāng)前工件型號(hào)代碼;圓形指示燈顯示當(dāng)前位置上有無(wú)物料狀態(tài)。

        圖2 設(shè)備啟停屏操作畫(huà)面

        伺服操作畫(huà)面如圖3所示,可以開(kāi)啟、關(guān)閉伺服,完成電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)操作和原點(diǎn)回歸操作;同時(shí)可以在位置輸入框輸入目標(biāo)位置,按下“絕對(duì)位置”按鈕,地軌電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),帶著機(jī)器人向目標(biāo)位置移動(dòng);“立即停止”按鈕可以停止電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)指令;“當(dāng)前位置”實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)地軌機(jī)器人位置。

        圖3 伺服操作畫(huà)面

        料臺(tái)操作畫(huà)面如圖4所示,在手動(dòng)方式下點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕可控制相應(yīng)部件動(dòng)作,動(dòng)作到位后圓形指示燈呈現(xiàn)綠色狀態(tài)。整線各活動(dòng)單元都安裝有按鈕盒,在系統(tǒng)手動(dòng)模式下可控制各部件動(dòng)作。

        圖4 料臺(tái)操作畫(huà)面

        通過(guò)西門子博途工具軟件對(duì)工藝對(duì)象地軌驅(qū)動(dòng)進(jìn)行組態(tài)與參數(shù)設(shè)置[4]。驅(qū)動(dòng)器基本參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示,分別設(shè)置硬件接口、驅(qū)動(dòng)裝置的使能和反饋、電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、每轉(zhuǎn)負(fù)載位移及旋轉(zhuǎn)方向、硬和軟限位開(kāi)關(guān)等數(shù)據(jù)。

        圖5 驅(qū)動(dòng)器基本參數(shù)設(shè)置界面

        PLC分別控制地軌電動(dòng)機(jī)、料架,同時(shí)與觸摸屏、機(jī)器人控制柜通信,地軌使能控制和絕對(duì)位置控制部分如圖6所示。PLC與機(jī)器人采用串口方式通信,相互發(fā)送接收數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)進(jìn)行處理。PLC接收來(lái)自機(jī)器人數(shù)據(jù)的指令及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序如圖7所示。

        圖6 地軌使能控制和絕對(duì)位置控制程序

        圖7 接收機(jī)器人數(shù)據(jù)及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序

        3 機(jī)器人控制

        機(jī)器人主要由本體、控制柜、示教器及連接電纜組成,擴(kuò)展氣動(dòng)夾爪,與地軌PLC串行通信,其控制如圖8所示。

        圖8 機(jī)器人控制示意

        機(jī)器人采用六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人,通過(guò)示教再現(xiàn)方式,按照預(yù)先設(shè)定的程序,自主完成規(guī)定動(dòng)作與操作。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式主要包括點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制、力(力矩)控制和智能控制方式。擴(kuò)展Device Net總線I/O模塊,用于控制氣動(dòng)夾爪動(dòng)作,與地軌PLC采用RS-232接口進(jìn)行通信,工業(yè)機(jī)器人串口通信程序如下。

        串行數(shù)據(jù)通信是以二進(jìn)制的位(bit)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式,每次只傳送1位。串行通信最少只需要兩根線就可以連接多臺(tái)設(shè)備,組成控制網(wǎng)絡(luò),可用于距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。

        在串行通信中,接收方和發(fā)送方應(yīng)使用相同的傳輸速率,但是實(shí)際的發(fā)送速率與接收速率之間總會(huì)有一些微小的差異。在連續(xù)傳送大量的信息時(shí),會(huì)因?yàn)榉e累誤差造成數(shù)據(jù)錯(cuò)位,使接收方收到錯(cuò)誤的信息。為了解決這一問(wèn)題,采用異步通信,即字符同步方式,其字符信息格式如圖9所示,發(fā)送的字符由1個(gè)起始位、7個(gè)或8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位(可以沒(méi)有)以及1個(gè)或2個(gè)停止位組成。

        圖9 異步通信的字符信息格式

        奇偶校驗(yàn)用來(lái)檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。如果指定的是偶校驗(yàn),發(fā)送方發(fā)送的每一個(gè)字符的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位中的“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù):如果數(shù)據(jù)位包含偶數(shù)個(gè)“1”,奇偶校驗(yàn)位將為0;如果數(shù)據(jù)位包含奇數(shù)個(gè)“1”,奇偶校驗(yàn)位將為1。也可以設(shè)置為無(wú)奇偶校驗(yàn)。

        在串行通信中,傳輸速率(又稱波特率)的單位為bit/s,即每秒傳送的二進(jìn)制位數(shù)。地軌PLC與機(jī)器人采用全雙工通信方式,通信的雙方都能在同一時(shí)間接收和發(fā)送信息,信號(hào)線連接如圖10所示。

        圖10 信號(hào)線連接

        4 機(jī)床控制

        機(jī)床控制過(guò)程中主要考慮以下安全互鎖要求。

        1)機(jī)器人夾爪在機(jī)床內(nèi),機(jī)床不能觸發(fā)關(guān)防護(hù)門動(dòng)作,不能進(jìn)行加工等相關(guān)動(dòng)作。

        2)機(jī)器人夾爪進(jìn)入機(jī)床前,機(jī)床防護(hù)門應(yīng)處于打開(kāi)狀態(tài)。

        3)機(jī)器人送料過(guò)程中,物料未到達(dá)指定位置,機(jī)床不能觸發(fā)夾緊裝置夾緊動(dòng)作,不能觸發(fā)頂緊裝置頂緊動(dòng)作。

        4)機(jī)器人取料過(guò)程中,機(jī)器人夾爪未夾緊物料,機(jī)床不能觸發(fā)夾緊裝置松開(kāi)動(dòng)作,不能觸發(fā)頂緊裝置退回動(dòng)作。

        5)機(jī)器人在機(jī)床取料、放料過(guò)程中,機(jī)床不能觸發(fā)冷卻液開(kāi)啟動(dòng)作指令。

        自動(dòng)線內(nèi)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的加工工序、工件夾持方式各不相同,但防護(hù)門與夾具都是標(biāo)配,均配有到位檢測(cè)信號(hào)。尾臺(tái)作為選項(xiàng),用來(lái)輔助夾持軸類等長(zhǎng)工件。接口信號(hào)見(jiàn)表1,機(jī)床上下料控制指令見(jiàn)表2。

        表1 自動(dòng)線機(jī)床通信接口信號(hào)

        表2 自動(dòng)線機(jī)床上下料控制指令

        5 主控

        主控PLC系統(tǒng)主要執(zhí)行物流調(diào)度控制系統(tǒng)下達(dá)的控制指令,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)控制加工機(jī)床的PLC以及機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)控制機(jī)床開(kāi)門、關(guān)門、夾具夾緊、松開(kāi)和機(jī)器人上料、下料等操作。

        物流調(diào)度與控制層由工控機(jī)I P C 安裝基于WINCC的物流調(diào)度與控制系統(tǒng),與主控PLC集成,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料的自動(dòng)調(diào)度、異常處理、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控以及自動(dòng)/手動(dòng)方式切換等操作。

        工控機(jī)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)間通過(guò)以太網(wǎng)連接,采用OPC UA通信協(xié)議;主控PLC與地軌PLC通過(guò)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線連接,使用S7通信協(xié)議,拓?fù)淙鐖D11所示。主控PLC主程序流程如圖12所示。

        圖11 主控拓?fù)?/p>

        圖12 主控PLC主程序流程

        工件任務(wù)調(diào)度方式包括自動(dòng)和手動(dòng),其中全自動(dòng)傳輸方式為:由WINCC和主控PLC調(diào)度協(xié)調(diào),操作人員只需負(fù)責(zé)從上料站上料,從下料站下料,其他中間過(guò)程由WINCC和主控PLC控制完成;半自動(dòng)傳輸方式為:通過(guò)WINCC操作界面設(shè)置物流系統(tǒng)起點(diǎn)和終點(diǎn)位置,確認(rèn)后執(zhí)行一次傳輸動(dòng)作,包括與機(jī)床、機(jī)器人、料架的交互動(dòng)作;手動(dòng)傳輸方式為:通過(guò)手動(dòng)操作面板人工操作實(shí)現(xiàn)傳輸動(dòng)作及與機(jī)床、機(jī)器人、料架的交互動(dòng)作。

        主控PLC機(jī)床上料動(dòng)作時(shí)序如圖13所示,功能狀態(tài)見(jiàn)表3。

        表3 主控PLC功能狀態(tài)

        圖13 主控PLC機(jī)床上料動(dòng)作時(shí)序

        由于各個(gè)機(jī)床的加工時(shí)間不盡相同,因此各個(gè)機(jī)床進(jìn)行加工的優(yōu)先級(jí)會(huì)較大程度地影響生產(chǎn)線工作效率。對(duì)于加工時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)床來(lái)說(shuō),在同樣的時(shí)間內(nèi)能夠加工的工件數(shù)量少于其他機(jī)床,因此優(yōu)先考慮加工時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)床是否有需求,以保證其能夠不間斷工作,從而提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        金屬切削機(jī)床上下料機(jī)器換人已經(jīng)成為一種趨勢(shì),通過(guò)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床組合形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的主動(dòng)化和無(wú)人化,可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造體系,適應(yīng)當(dāng)代數(shù)控機(jī)械行業(yè)的數(shù)字化、智能化生產(chǎn)要求。

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