張茂林 魏志賓

摘要：科技的進步，促進工程建設(shè)事業(yè)得到快速發(fā)展。機器人輔助機械加工在國內(nèi)外航空制造業(yè)中已經(jīng)大量使用。如2001年，美國Electroimpact公司設(shè)計了一套機器人自動鉆削系統(tǒng)，用于波音F/A-18E/F的機翼后緣襟翼的制孔和锪孔;空客公司利用機器人較大的工作空間、復(fù)雜的運動軌跡、高的重復(fù)精度和運動協(xié)調(diào)能力，從而實現(xiàn)飛機隔音板蒙皮的成型加工。然而在航空修理企業(yè)，由于行業(yè)自身特點及特殊性，還沒有機器人輔助機械加工的方案，解決小批量多品種標準件的生產(chǎn)問題。本文就機器人輔助機械加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計展開探討。

關(guān)鍵詞：機器人;控制系統(tǒng);自動上下料

引言

通過將機器人與數(shù)控機床集成在一起形成一個柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)，根據(jù)不同零件的特點采用不同的末端執(zhí)行器來完成工件的上下料，縮短機床輔助時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，這將是生產(chǎn)制造小批量多品種零件的必然發(fā)展趨勢。作者從滿足小批量多品種零件的生產(chǎn)節(jié)奏需求出發(fā)，建立了基于PLC控制系統(tǒng)的機器人輔助機械加工單元，實現(xiàn)了柔性化智能化機械加工，進而提高了零件的生產(chǎn)效率，保證了零件質(zhì)量一致性。

1工業(yè)機器人的發(fā)展背景

工業(yè)機器人是一種能夠在三維空間中實現(xiàn)各種預(yù)期動作的自動化生產(chǎn)設(shè)備，它可以完成各種仿人操作，可以進行反復(fù)編程，可以實現(xiàn)控制自動化，是機電一體化產(chǎn)物，非常適合柔性生產(chǎn)線。它由機械本體、驅(qū)動器、控制器和反饋裝置組成。工業(yè)機器人應(yīng)用的普及，改善了工人的工作環(huán)境，提高了產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量，對于我國制造業(yè)發(fā)展有著顯著的意義。在當代，機器人領(lǐng)域的研究是非?；钴S的，將會越來越受到國家的重視。機器人技術(shù)涵蓋了各種學科，包括了機構(gòu)學、電子學、信息學、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等，它象征著我國工業(yè)自動化水平的高低。工業(yè)機器人不但可以替代工人的手工操作，而且能夠明顯提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量，進而促進我國先進制造技術(shù)的發(fā)展，它是自動化生產(chǎn)線上必不可缺的設(shè)備。另外，工業(yè)機器人能夠?qū)ν獠凯h(huán)境狀態(tài)進行判斷，并快速做出相應(yīng)的應(yīng)對策略，能夠高精度、長時間連續(xù)工作，還能夠抵抗惡劣的工作環(huán)境。工業(yè)機器人的價格將逐漸降低，但是使用量將不斷增長，它將促使工業(yè)領(lǐng)域變得更加有效。另外，工業(yè)機器人己經(jīng)和計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)、計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)結(jié)合在一起應(yīng)用了，這也是現(xiàn)代制造業(yè)自動化的最新發(fā)展趨勢，這種技術(shù)正在引導工業(yè)自動化向一個新的領(lǐng)域過渡。工業(yè)機器人開始出現(xiàn)于1960年末，到現(xiàn)在為止己經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史了，在這段時間里機器人技術(shù)己經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。機器人的發(fā)展分為三個階段，第一代示教重現(xiàn)工業(yè)機器人：這是一種比較簡單的工業(yè)機器人，以工作人員牽引機器人末端執(zhí)行器方式進行示教，主要用于不要求精確軌跡的簡單點位控制場合。這類工業(yè)機器人的控制方式比較簡單，成本也比較低。第二代帶感覺的工業(yè)機器人：這是一種比較復(fù)雜的工業(yè)機器人，一般集成有內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，通過這些傳感器信息的融合來識別自身以及外部環(huán)境參數(shù)信息。這類工業(yè)機器人的控制方式和智能程度都要遠比示教再現(xiàn)型高第三代智能工業(yè)機器人：這是目前研究領(lǐng)域內(nèi)最復(fù)雜的工業(yè)機器人，具有和人類似的思維能力，能夠?qū)σ恍┩话l(fā)情況做出合理的決策。這類工業(yè)機器人的控制方式最復(fù)雜，需要使用智能控制方法。

2機器人輔助機械加工單元結(jié)構(gòu)組成

機器人輔助機械加工單元由一臺發(fā)那科機器人、2臺數(shù)控機床（GT27、CK7516）、末端抓手夾具、毛坯輸送機、轉(zhuǎn)料臺（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機器人移動導軌、控制系統(tǒng)等組成，具體的單元布局如圖1所示。系統(tǒng)采用PLC電氣控制和氣動控制相結(jié)合的控制方式。PLC控制著整個單元各個模塊間相互配合動作;氣動系統(tǒng)則以壓縮空氣為氣源，通過電磁換向閥來實現(xiàn)氣動執(zhí)行機構(gòu)的往復(fù)運動。機器人輔助加工單元控制過程如圖2所示。

3機器人輔助加工單元

機器人輔助加工單元由1臺機器人完成對2臺機床進行上下料的作業(yè)。整個單元包括機器人、2臺數(shù)控機床、機器人末端抓手夾具、毛坯輸送機、轉(zhuǎn)料臺（包括兩套半成品工裝盒輸送裝置和一套半成品料盒輸送裝置）、機器人移動導軌、PLC系統(tǒng)控制器。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1PLC軟件設(shè)計

在此系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計主要分為兩部分，自動控制運行和手動控制運行。自動控制主要是通過觸摸屏按鈕啟動后，系統(tǒng)能夠完成整個單元的機器人輔助數(shù)控機床上下料作業(yè)，其中包括毛料的自動頂升、機器人抓取毛料、機器人抓取半成品、各類氣缸往復(fù)動作等。手動控制原理較為簡單，通過觸摸屏可以單個控制整個單元各個模塊的動作。PLC軟件主體架構(gòu)流程圖如圖3所示。

4.2觸摸屏軟件設(shè)計

根據(jù)機器人輔助機械加工單元的整體控制流程及實際生產(chǎn)操作要求，設(shè)計了主界面、手動控制、輸入監(jiān)控、輸出監(jiān)控等軟件模塊，其觸摸屏界面如圖4所示。

5氣動控制回路設(shè)計

機器人輔助機械加工單元的氣動控制回路如圖5所示。氣動系統(tǒng)是由氣源處理裝置、電磁換向閥、調(diào)速閥、氣缸以及各種快速接頭等組成。氣源系統(tǒng)壓力為（0.5～0.7）MPa，系統(tǒng)中機器人抓手模塊氣缸換向閥采用AIRTAC公司的三位五通電磁閥（型號為4V230C-08-B），機器人輔助裝置模塊氣缸換向閥則采用兩位五通電磁閥（型號為4V210-08-B）。機床1和機床2開門氣缸選用AIRTAC公司的帶磁標準復(fù)動型氣缸（型號分別為SI32-700-S，SI32-500-S），棒料定位氣缸、棒料頂升氣缸、棒料抓手氣缸、成品抓手氣缸、傳感器直線氣缸均采用SMC公司產(chǎn)品，型號分別為MI16-20CA、MGPM12-75Z、MHL2-20D、MH-SL3-32D、CXSJM6-40。半成品托盤1氣缸、半成品托盤2氣缸、料盒氣缸均采用CY3R40-800。每一氣缸上分別帶有可調(diào)位置的磁性開關(guān)（S1、S2型號分別為DS1B1020和D-M9B），用于極限位置的檢測，以實現(xiàn)氣缸伸出與縮回位置的可調(diào)節(jié)。氣源經(jīng)過氣動三聯(lián)組件后，進入氣動軟管中，通過PLC控制電磁換向閥實現(xiàn)各種氣缸的往復(fù)運動。在各氣缸的氣口都裝有單向節(jié)流閥主要是為了使氣缸行進速度可調(diào)節(jié)，且運行平穩(wěn)，避免啟動時活塞桿突然快速推進而撞擊缸蓋。

結(jié)語

機器人輔助機械加工單元控制系統(tǒng)的運用，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了人力資源成本，滿足了小批量多品種零件的加工需求。

參考文獻

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