基于于PLC的數(shù)控車床與工業(yè)機器人上下料系統(tǒng)集成改造
2021-5-20 來源： 江蘇工程職業(yè)技術學院 作者：丁錦宏
摘要：采用數(shù)控機床與工業(yè)機器人組成集成系統(tǒng)進行機械零件的自動加工與上下料是智能制造的基礎。針對配備 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的車床，使用 ABB工業(yè)機器人進行自動上下料，提出基于 PLC的系統(tǒng)集成方案。在對數(shù)控車床進行局部改造的基礎上，規(guī)劃系統(tǒng)協(xié)調運行的工作流程和接口信號，繪制系統(tǒng)連接圖，并設計系統(tǒng)程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成改造。
關鍵詞：工業(yè)機器人； 數(shù)控車床； 集成； PLC
工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多自由度的機器人，在汽車制造等行業(yè)應用廣泛。機器人與數(shù)控機床集成系統(tǒng)，能自動上下料，成為智能制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。機器人上下料集成系統(tǒng)通常利用網(wǎng)絡進行信號傳遞，這種方法適用較復雜的制造系統(tǒng)，可使外部聯(lián)線簡單化，但系統(tǒng)可維護性不佳[
1]。在數(shù)控機床與機器人之間增加PLC，不僅可以傳遞信號，還能減少數(shù)控機床與機器人之間的信號傳遞數(shù)量，從而增加系統(tǒng)的可維護性。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)機器人進行系統(tǒng)集成改造。
1 、系統(tǒng)組成
選用 ABB 工業(yè)機器人與數(shù)控車床（以下簡稱“CNC”）進行系統(tǒng)集成，使兩者協(xié)調運行，由機器人完成工件的上下料。組成集成系統(tǒng)的數(shù)控車床和機器人分別是 2 個獨立的設備。數(shù)控車床配備 FANUC-0IT數(shù)控系統(tǒng)。機器人型號為 IRB-1600-10-1.2，承載能力為 10 kg，工作半徑達 1.2 m。機器人末端加裝用于夾持工件的手爪。本實例中，加工工件為圓柱體，根據(jù)其形狀、尺寸、質量選擇型號為 HDS-32Y 的夾緊氣缸作為手爪，控制手爪動作的電磁閥安裝在機器人本體上，由機器人進行控制。改造時，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驅動，并設有物料檢測傳感器。工業(yè)機器人數(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，需要將數(shù)控車床的安全門改造成自動打開及關閉，將卡盤改造成自動夾緊及松開。該方案采用氣動原理進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罩上，并與安全門進行連接，控制其打開與關閉。將原有手動卡盤拆除，重新選擇并安裝合適的氣動卡盤。安全門和卡盤的氣動控制回路見圖 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閉，SQ3為安全門關閉狀態(tài)的檢測開關。YV3和YV4用于控制卡盤的夾緊與松開，SQ4為卡盤松開狀態(tài)的檢測開關。集成時，通過PLC控制安全門和卡盤并檢測它們的狀態(tài)。
3、 系統(tǒng)集成方案
在數(shù)控機床與機器人之間增加PLC對輸入輸出信號進行邏輯處理，完成信號傳遞與運行協(xié)調[2]，并控制傳輸帶、安全門與卡盤。該方案選用三菱FX3u-24MR型PLC。機器人、PLC、CNC之間的信號傳遞關系見圖3。
圖3 系統(tǒng)集成方案
在ABB機器人中，通過輸入輸出板DSQC652來接收與發(fā)送信號，該板具有16個數(shù)字量輸入通道和16個數(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FANUC數(shù)控系統(tǒng)內置的PLC進行信號的輸入輸出，為區(qū)別系統(tǒng)集成時使用的PLC與CNC內置的PLC，此處將CNC內置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
機器人與數(shù)控車床協(xié)調運行的工作流程規(guī)劃涉及機器人的運行過程劃分、兩者之間的信號傳遞，是系統(tǒng)集成的關鍵[3]。分析對比幾種方案后，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)控車床與機器人的信號傳遞數(shù)量大大減少。圖4中，雙線框內的內容為機器人的運行動作，即將機器人上下料過程分為5個動作，按照機器人運行軌跡及其手爪動作編制相應的例行程序，由主程序調用[4]，動作內容、例行程序名見表1。
表1 機器人例行程序
3.2 信號傳遞
根據(jù)機器人與數(shù)控車床的工作流程規(guī)劃，機器人將輸入 3個信號、輸出 4個信號，達到與 CNC協(xié)調運行的目的。機器人輸入輸出信號地址分配如表 2所示。
表2 機器人輸入/輸出信號
CNC將通過PMC輸入1個信號、輸出2個信號，PMC入輸出信號地址分配如表3所示。
表3 PMC輸入/輸出信號
3.3 系統(tǒng)聯(lián)接
機器人和PMC的輸入輸出信號均通過PLC進行邏輯處理和傳遞。三者之間的信號連接關系見圖5。
圖5 系統(tǒng)連接圖
4、 系統(tǒng)程序設計
機器人和數(shù)控機床均按照各自的程序運行，由機器人完成裝卸料，數(shù)控機床完成工件加工。機器人和數(shù)控機床之間通過PLC進行信號傳遞，協(xié)調運行。為此，需要編制機器人程序、PLC程序，修改數(shù)控機床PMC程序。
4.1 機器人程序設計
機器人程序包括主程序和例行程序。機器人運行時執(zhí)行主程序[4]。在主程序中，根據(jù)流程規(guī)劃調用表1中的例行程序，進行機器人上下料。
1) 主程序設計。根據(jù)系統(tǒng)運行規(guī)劃，機器人主程序如下：
2) 例行程序設計。在設計例行程序時，首先通過示教確定機器人運行的關鍵點，包括取料點、放料點、中間點、安全點等，然后按照運行軌跡調用機器人運動指令，并在需要時夾緊和松開手爪。由于篇幅有限，此處略去具體的程序。
4.2 PLC程序設計
PLC協(xié)調機器人和數(shù)控機床間的運行，并控制數(shù)控車床安全門的打開與關閉、卡盤的夾緊與松開、外部毛坯帶和產品帶的運行。圖 6 所示為根據(jù)流程規(guī)劃設計的PLC程序。
圖6 PLC程序
4.3 PMC程序修改
系統(tǒng)集成時，數(shù)控車床內置 PLC（即 PMC）原有程序需要進行修改，以協(xié)調數(shù)控車床與機器人的運行，使車床在接收到“開始加工”信號時執(zhí)行加工程序，并在加工程序運行結束后輸出“加工完成”信號等。如圖 7所示，修改 PMC 程序時，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)內部信號，當數(shù)控系統(tǒng)準備就緒時，F(xiàn)1.4 值為 1，當加工程序執(zhí)行后，F(xiàn)9.4 值為 1。G7.2 為數(shù)控系統(tǒng)內部的功能激活碼，當 G7.2 值為1時，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、 結語
通過將數(shù)控車床與工業(yè)機器人進行系統(tǒng)集成改造，設計了機器人程序、PLC 程序，修改了數(shù)控車床PMC 程序，使數(shù)控車床與工業(yè)機器人相互協(xié)調，在工作流程上有機銜接，實現(xiàn)機械零件自動加工、自動裝卸料。該集成方法實際應用效果好，系統(tǒng)可維護性佳。
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