基于于PLC的數(shù)控車床與工業(yè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)集成改造
2021-5-20 來(lái)源： 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：丁錦宏
摘要：采用數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人組成集成系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械零件的自動(dòng)加工與上下料是智能制造的基礎(chǔ)。針對(duì)配備 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的車床，使用 ABB工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)上下料，提出基于 PLC的系統(tǒng)集成方案。在對(duì)數(shù)控車床進(jìn)行局部改造的基礎(chǔ)上，規(guī)劃系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的工作流程和接口信號(hào)，繪制系統(tǒng)連接圖，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成改造。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人； 數(shù)控車床； 集成； PLC
工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度的機(jī)器人，在汽車制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛。機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成系統(tǒng)，能自動(dòng)上下料，成為智能制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)器人上下料集成系統(tǒng)通常利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳遞，這種方法適用較復(fù)雜的制造系統(tǒng)，可使外部聯(lián)線簡(jiǎn)單化，但系統(tǒng)可維護(hù)性不佳[
1]。在數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人之間增加PLC，不僅可以傳遞信號(hào)，還能減少數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人之間的信號(hào)傳遞數(shù)量，從而增加系統(tǒng)的可維護(hù)性。筆者以某企業(yè)使用的數(shù)控車床加工重量10 kg的零件為例，利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)集成改造。
1 、系統(tǒng)組成
選用 ABB 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控車床（以下簡(jiǎn)稱“CNC”）進(jìn)行系統(tǒng)集成，使兩者協(xié)調(diào)運(yùn)行，由機(jī)器人完成工件的上下料。組成集成系統(tǒng)的數(shù)控車床和機(jī)器人分別是 2 個(gè)獨(dú)立的設(shè)備。數(shù)控車床配備 FANUC-0IT數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)器人型號(hào)為 IRB-1600-10-1.2，承載能力為 10 kg，工作半徑達(dá) 1.2 m。機(jī)器人末端加裝用于夾持工件的手爪。本實(shí)例中，加工工件為圓柱體，根據(jù)其形狀、尺寸、質(zhì)量選擇型號(hào)為 HDS-32Y 的夾緊氣缸作為手爪，控制手爪動(dòng)作的電磁閥安裝在機(jī)器人本體上，由機(jī)器人進(jìn)行控制。改造時(shí)，使用兩條傳輸帶（分別用于毛坯和成品的輸送）。傳輸帶由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并設(shè)有物料檢測(cè)傳感器。工業(yè)機(jī)器人數(shù)控車床上下料系統(tǒng)見圖1。
圖1 系統(tǒng)組成
2 、數(shù)控車床改造
系統(tǒng)集成時(shí)，需要將數(shù)控車床的安全門改造成自動(dòng)打開及關(guān)閉，將卡盤改造成自動(dòng)夾緊及松開。該方案采用氣動(dòng)原理進(jìn)行安全門和卡盤的控制改造。選擇滿足行程的氣缸安裝在車床防護(hù)罩上，并與安全門進(jìn)行連接，控制其打開與關(guān)閉。將原有手動(dòng)卡盤拆除，重新選擇并安裝合適的氣動(dòng)卡盤。安全門和卡盤的氣動(dòng)控制回路見圖 2。
圖2 安全門和卡盤的控制
圖 2中，YV1和 YV2用于控制安全門的打開與關(guān)閉，SQ3為安全門關(guān)閉狀態(tài)的檢測(cè)開關(guān)。YV3和YV4用于控制卡盤的夾緊與松開，SQ4為卡盤松開狀態(tài)的檢測(cè)開關(guān)。集成時(shí)，通過(guò)PLC控制安全門和卡盤并檢測(cè)它們的狀態(tài)。
3、 系統(tǒng)集成方案
在數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人之間增加PLC對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，完成信號(hào)傳遞與運(yùn)行協(xié)調(diào)[2]，并控制傳輸帶、安全門與卡盤。該方案選用三菱FX3u-24MR型PLC。機(jī)器人、PLC、CNC之間的信號(hào)傳遞關(guān)系見圖3。
圖3 系統(tǒng)集成方案
在ABB機(jī)器人中，通過(guò)輸入輸出板DSQC652來(lái)接收與發(fā)送信號(hào)，該板具有16個(gè)數(shù)字量輸入通道和16個(gè)數(shù)字量輸出通道，輸入地址為DI1~DI16，輸出地址為DO1~DO16。數(shù)控車床通過(guò)FANUC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC進(jìn)行信號(hào)的輸入輸出，為區(qū)別系統(tǒng)集成時(shí)使用的PLC與CNC內(nèi)置的PLC，此處將CNC內(nèi)置PLC稱為PMC，輸入地址的表示形式為X*.*，輸出地址的表示形式為Y*.*。
3.1 系統(tǒng)工作流程規(guī)劃
機(jī)器人與數(shù)控車床協(xié)調(diào)運(yùn)行的工作流程規(guī)劃涉及機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程劃分、兩者之間的信號(hào)傳遞，是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵[3]。分析對(duì)比幾種方案后，確定系統(tǒng)工作流程規(guī)劃如圖4所示。
圖4 工作流程規(guī)劃
因使用了 PLC 直接控制安全門、卡盤以及傳送帶，數(shù)控車床與機(jī)器人的信號(hào)傳遞數(shù)量大大減少。圖4中，雙線框內(nèi)的內(nèi)容為機(jī)器人的運(yùn)行動(dòng)作，即將機(jī)器人上下料過(guò)程分為5個(gè)動(dòng)作，按照機(jī)器人運(yùn)行軌跡及其手爪動(dòng)作編制相應(yīng)的例行程序，由主程序調(diào)用[4]，動(dòng)作內(nèi)容、例行程序名見表1。
表1 機(jī)器人例行程序
3.2 信號(hào)傳遞
根據(jù)機(jī)器人與數(shù)控車床的工作流程規(guī)劃，機(jī)器人將輸入 3個(gè)信號(hào)、輸出 4個(gè)信號(hào)，達(dá)到與 CNC協(xié)調(diào)運(yùn)行的目的。機(jī)器人輸入輸出信號(hào)地址分配如表 2所示。
表2 機(jī)器人輸入/輸出信號(hào)
CNC將通過(guò)PMC輸入1個(gè)信號(hào)、輸出2個(gè)信號(hào)，PMC入輸出信號(hào)地址分配如表3所示。
表3 PMC輸入/輸出信號(hào)
3.3 系統(tǒng)聯(lián)接
機(jī)器人和PMC的輸入輸出信號(hào)均通過(guò)PLC進(jìn)行邏輯處理和傳遞。三者之間的信號(hào)連接關(guān)系見圖5。
圖5 系統(tǒng)連接圖
4、 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床均按照各自的程序運(yùn)行，由機(jī)器人完成裝卸料，數(shù)控機(jī)床完成工件加工。機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間通過(guò)PLC進(jìn)行信號(hào)傳遞，協(xié)調(diào)運(yùn)行。為此，需要編制機(jī)器人程序、PLC程序，修改數(shù)控機(jī)床PMC程序。
4.1 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)
機(jī)器人程序包括主程序和例行程序。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)執(zhí)行主程序[4]。在主程序中，根據(jù)流程規(guī)劃調(diào)用表1中的例行程序，進(jìn)行機(jī)器人上下料。
1) 主程序設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃，機(jī)器人主程序如下：
2) 例行程序設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)例行程序時(shí)，首先通過(guò)示教確定機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)，包括取料點(diǎn)、放料點(diǎn)、中間點(diǎn)、安全點(diǎn)等，然后按照運(yùn)行軌跡調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，并在需要時(shí)夾緊和松開手爪。由于篇幅有限，此處略去具體的程序。
4.2 PLC程序設(shè)計(jì)
PLC協(xié)調(diào)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床間的運(yùn)行，并控制數(shù)控車床安全門的打開與關(guān)閉、卡盤的夾緊與松開、外部毛坯帶和產(chǎn)品帶的運(yùn)行。圖 6 所示為根據(jù)流程規(guī)劃設(shè)計(jì)的PLC程序。
圖6 PLC程序
4.3 PMC程序修改
系統(tǒng)集成時(shí)，數(shù)控車床內(nèi)置 PLC（即 PMC）原有程序需要進(jìn)行修改，以協(xié)調(diào)數(shù)控車床與機(jī)器人的運(yùn)行，使車床在接收到“開始加工”信號(hào)時(shí)執(zhí)行加工程序，并在加工程序運(yùn)行結(jié)束后輸出“加工完成”信號(hào)等。如圖 7所示，修改 PMC 程序時(shí)，在原有程序的最后增加一段程序，F(xiàn)1.4 和 F9.4 為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，F(xiàn)1.4 值為 1，當(dāng)加工程序執(zhí)行后，F(xiàn)9.4 值為 1。G7.2 為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的功能激活碼，當(dāng) G7.2 值為1時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)激活加工程序，開始加工[5]。
圖7 PMC程序修改
5、 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)將數(shù)控車床與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)集成改造，設(shè)計(jì)了機(jī)器人程序、PLC 程序，修改了數(shù)控車床PMC 程序，使數(shù)控車床與工業(yè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)，在工作流程上有機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件自動(dòng)加工、自動(dòng)裝卸料。該集成方法實(shí)際應(yīng)用效果好，系統(tǒng)可維護(hù)性佳。
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