張秀印

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 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、測量及檢測等復(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，在一些空間復(fù)雜、工件尺寸大的場合應(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)前位置上有無物料狀態(tài)。

圖2 設(shè)備啟停屏操作畫面

伺服操作畫面如圖3所示，可以開啟、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 伺服操作畫面

料臺(tái)操作畫面如圖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)操作畫面

通過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)用來檢測接收到的數(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)處于打開狀態(tài)。

3）機(jī)器人送料過程中，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、放料過程中，機(jī)床不能觸發(fā)冷卻液開啟動(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，均配有到位檢測信號(hào)。尾臺(tái)作為選項(xiàng)，用來輔助夾持軸類等長工件。接口信號(hào)見表1，機(jī)床上下料控制指令見表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)床開門、關(guān)門、夾具夾緊、松開和機(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)間通過以太網(wǎng)連接，采用OPC UA通信協(xié)議；主控PLC與地軌PLC通過PROFINET現(xiàn)場總線連接，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，其他中間過程由WINCC和主控PLC控制完成；半自動(dòng)傳輸方式為：通過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)間長的機(jī)床來說，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

金屬切削機(jī)床上下料機(jī)器換人已經(jīng)成為一種趨勢，通過機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床組合形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程的主動(dòng)化和無人化，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。