摘要：在大批量數(shù)控銑削加工機(jī)械零部件過(guò)程中，由于切削液的揮發(fā)導(dǎo)致工廠作業(yè)環(huán)境極其惡劣．為改善這種情況，提出采用ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料改造的方案．通過(guò)增加空氣開(kāi)關(guān)、西門子１２００ＰＬＣ、ＦＸ－５０Ｆ分線器、繼電器模組、接線端子排、機(jī)器人手抓氣路、機(jī)床氣路等硬件和一系列軟件設(shè)計(jì)如工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床ＰＭＣ梯形圖設(shè)計(jì)、ＰＬＣ１２００程序設(shè)計(jì)、數(shù)控機(jī)床加工程序設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了改造方案．改造后，機(jī)床能夠順利實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的通信，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人取代人進(jìn)行上下料。

關(guān)鍵詞：ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人；數(shù)控加工中心；ＰＬＣ１２００；電氣設(shè)計(jì)；氣路設(shè)計(jì)；程序設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床作為機(jī)加工的一種核心設(shè)備，在機(jī)械零部件切削加工中發(fā)揮著重要的作用．長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)控機(jī)床僅是作為獨(dú)立的裸機(jī)投入到生產(chǎn)中．隨著智能制造時(shí)代的到來(lái)以及工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，數(shù)控機(jī)床已不再是單一獨(dú)立的加工設(shè)備，而是作為智能制造系統(tǒng)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)，和其它輔助設(shè)備如工業(yè)機(jī)器人、ＰＬＣ聯(lián)網(wǎng)通信共同完成零部件的生產(chǎn)加工，從而實(shí)現(xiàn)零部件加工的無(wú)人化．工業(yè)機(jī)器人作為一種重要自動(dòng)化設(shè)備，是智能制造系統(tǒng)中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)．在機(jī)械制造領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人可用來(lái)完成沖壓、壓鑄、鍛造、機(jī)床切削加工、焊接、金屬熱處理、噴涂、裝配等作業(yè)中的輔助動(dòng)作，如上下料等按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，從而可代替人完成重復(fù)、繁瑣、危險(xiǎn)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度要求高的動(dòng)作．在數(shù)控加工領(lǐng)域，利用工業(yè)機(jī)器人取代人進(jìn)行上下料可實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下的高效率大批量生產(chǎn)、長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，并能顯著降低制造成本．基于工業(yè)機(jī)器人的以上優(yōu)點(diǎn)，許多機(jī)加工密集的企業(yè)已完全或部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床協(xié)同作業(yè)，許多大中專院校也相繼建立了利用工業(yè)機(jī)器人對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料的實(shí)訓(xùn)裝置。

本文針對(duì)某工件，對(duì)某ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心進(jìn)行基于ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人上下料功能的改造。

１、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

利用ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人對(duì)ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心進(jìn)行上下料的改造中，ＡＢＢ機(jī)器人直接和控制第六軸末端平行氣動(dòng)手抓的電磁閥進(jìn)行通信，包括發(fā)出信號(hào)控制其動(dòng)作及檢測(cè)夾具的狀態(tài)．上下料機(jī)器人通過(guò)ＰＬＣ接收數(shù)控機(jī)床發(fā)送的信號(hào)，通信內(nèi)容包括數(shù)控機(jī)床將門狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)、卡盤狀態(tài)、加工狀態(tài)等信息告知機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行上下料．?dāng)?shù)控機(jī)床通過(guò)同一臺(tái)ＰＬＣ接收機(jī)器人發(fā)送的信號(hào)。

信號(hào)內(nèi)容包括機(jī)器人上料完成回至準(zhǔn)備位置發(fā)送使數(shù)控機(jī)床開(kāi)始加工的信號(hào)、機(jī)器人取料完成使機(jī)床運(yùn)動(dòng)至準(zhǔn)備狀態(tài)位置的信號(hào)、機(jī)器人放料完成發(fā)送使卡盤夾緊的信號(hào)、機(jī)床加工完成機(jī)器人夾緊工件發(fā)送使卡盤松開(kāi)的信號(hào)．?dāng)?shù)控機(jī)床內(nèi)置ＰＭＣ用來(lái)控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開(kāi)關(guān)電磁閥、主軸吹氣電磁閥．表定義了數(shù)控加工中心與工業(yè)機(jī)器人的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，圖１給出了二者的聯(lián)絡(luò)流程圖，圖２為改造后的上下料機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床實(shí)物布置圖。

２、系統(tǒng)硬件改造

２．１機(jī)械改造

ＦＵＮＵＣ數(shù)控中心在原有基礎(chǔ)上作了如下改造：增加了一扇安全門，由氣缸控制其開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)由行程開(kāi)關(guān)反饋給機(jī)器人；夾具改造為氣動(dòng)卡盤，卡盤的開(kāi)關(guān)由磁性開(kāi)關(guān)反饋給機(jī)器人；在主軸末端增加了一個(gè)吹氣裝置；工業(yè)機(jī)器人第六軸末端增加了一平行氣動(dòng)手抓。

表１數(shù)控加工中心與工業(yè)機(jī)器人聯(lián)絡(luò)信號(hào)定義

圖１工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心聯(lián)絡(luò)流程圖

２．２氣路設(shè)計(jì)

在整個(gè)改造系統(tǒng)中，共有４個(gè)氣路，其中３個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣缸，一個(gè)末端為吹氣裝置．圖３為３個(gè)氣缸的控制回路。

圖２改造后ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人與ＦＵＮＵＣ數(shù)控機(jī)床實(shí)物布置圖

圖３氣缸控制回路

２．３電氣設(shè)計(jì)

改造系統(tǒng)中負(fù)責(zé)工業(yè)機(jī)器人通信的為ＡＢＢ標(biāo)準(zhǔn)Ｉ／Ｏ板ＤＳＱＣ６５２，該板共有１６個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)和１６個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，其中Ｘ１、Ｘ２為數(shù)字輸出接口，Ｘ３、Ｘ４為數(shù)字輸入接口．?dāng)?shù)字輸出接口中有２個(gè)引腳用來(lái)接電磁閥，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人氣缸動(dòng)作，其它輸入與輸出接口分別用來(lái)和ＰＬＣ進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的協(xié)同動(dòng)作．在數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人之間增加ＰＬＣ，一方面可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和其它設(shè)備如ＡＧＶ的無(wú)線通信，另一方面可以進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人的信息共享．圖４為連接ＰＬＣ與ＰＭＣ的ＦＸ－５０Ｆ分線器．?dāng)?shù)控系統(tǒng)和ＰＭＣ相聯(lián)系，通過(guò)程序中的Ｍ代碼執(zhí)行使ＰＭＣ輸出信號(hào)控制機(jī)床上電磁鐵的動(dòng)作

．圖５為工業(yè)機(jī)器人、ＰＬＣ、ＰＭＣ三者之間的通信示意圖。

圖４數(shù)控機(jī)床上的ＦＸ－５０分線器

圖５改造系統(tǒng)通信示意圖

３、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中需要各自的程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)．工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床之間通過(guò)ＰＬＣ進(jìn)行通信，需要編寫通信程序，數(shù)控機(jī)床通過(guò)ＰＭＣ程序驅(qū)動(dòng)附加在機(jī)床上的電磁鐵動(dòng)作。

３．１工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作包括各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及末端平行手抓的開(kāi)合，這些動(dòng)作通過(guò)運(yùn)行在工業(yè)機(jī)器人上的ＲＡＰＩＤ程序驅(qū)動(dòng)．程序設(shè)計(jì)中首先要通過(guò)示教定義機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括接貨臺(tái)位置點(diǎn)、上下料中轉(zhuǎn)點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床夾具附近取放料點(diǎn)．其中，接貨臺(tái)位置點(diǎn)及數(shù)控機(jī)床取放料點(diǎn)又包括目標(biāo)點(diǎn)及相應(yīng)準(zhǔn)備點(diǎn)等．關(guān)鍵點(diǎn)確定之后，根據(jù)輸入輸出信號(hào)編制機(jī)器人上下料流程圖（如圖６所示）．根據(jù)流程圖、關(guān)鍵點(diǎn)，編制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序。

圖６工業(yè)機(jī)器人上下料流程圖

３．２ＰＬＣ梯形圖設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人之間增加的ＰＬＣ１２００主要負(fù)責(zé)二者之間的通信工作，即信號(hào)在二者之間進(jìn)行發(fā)送和接收，二者之間都要編寫接收和發(fā)送程序

．上下料機(jī)器人接收機(jī)床信號(hào)的子程序如圖７所示．

圖７工業(yè)機(jī)器人接收機(jī)床信號(hào)程序

３．３ＰＭＣ梯形圖設(shè)計(jì)

ＰＭＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）即數(shù)控機(jī)床內(nèi)置式ＰＬＣ控制技術(shù)．在數(shù)控機(jī)床中ＣＮＣ是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心裝置，機(jī)床為最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，ＰＭＣ是ＣＮＣ與機(jī)床之間信息交換的平臺(tái)，ＣＮＣ到ＰＭＣ的地址為Ｆ，反之為Ｇ；ＰＭＣ到機(jī)床的輸入信號(hào)為Ｙ，反之為Ｘ。

本文所進(jìn)行的機(jī)床改造開(kāi)發(fā)了如下輔助代碼Ｍ：安全門開(kāi)關(guān)代碼、夾具松開(kāi)夾緊代碼、主軸吹氣打開(kāi)關(guān)閉代碼、機(jī)床準(zhǔn)備代碼、開(kāi)始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼．表２為開(kāi)發(fā)的Ｍ代碼．ＰＭＣ程序中，機(jī)床首先對(duì)Ｍ代碼進(jìn)行譯碼，譯碼后的地址接通內(nèi)部繼電器Ｙ，由內(nèi)部繼電器驅(qū)動(dòng)外部繼電器。

表２ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心Ｍ代碼說(shuō)明表

圖８為卡盤夾具開(kāi)關(guān)ＰＭＣ程序圖，夾具開(kāi)代碼為Ｍ１７，關(guān)代碼為Ｍ１８，輸出內(nèi)部繼電器分別為Ｙ００２１．０、Ｙ００２１．１。

圖８數(shù)控機(jī)床夾具開(kāi)關(guān)ＰＭＣ程序圖

３．４數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

根據(jù)開(kāi)發(fā)的Ｍ代碼，結(jié)合零件圖紙信息，編制工件加工主程序及子程序．其中，主程序需要手動(dòng)輸入，子程序可采用手動(dòng)編程，也可采用軟件進(jìn)行編程．編制的數(shù)控機(jī)床加工主程序程序號(hào)為Ｏ０００１，調(diào)用的子程序號(hào)為Ｏ０００２．主程序如下：

４、結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用ＡＢＢ工業(yè)機(jī)器人對(duì)數(shù)控加工中心上下料做了以下技術(shù)改造：

（１）在工業(yè)機(jī)器人第六軸末端增加了一平行氣動(dòng)手抓；在數(shù)控加工中心上增加了一扇安全門，一臺(tái)氣動(dòng)夾具，主軸末端增加了一吹氣裝置．增加的裝置全部由氣路進(jìn)行控制。

（２）為便于系統(tǒng)的升級(jí)、組網(wǎng)，在工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間增加了一臺(tái)西門子ＰＬＣ１２００，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控加工中心的通信，并可和其它設(shè)備如數(shù)控機(jī)床、ＰＬＣ及上位機(jī)進(jìn)行通信。

（３）系統(tǒng)啟動(dòng)后，二者按各自的程序自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人協(xié)同動(dòng)作．根據(jù)工作過(guò)程編寫了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行程序、數(shù)控機(jī)床主程序

、ＰＬＣ１２００通信程序及數(shù)控機(jī)床ＰＭＣ程序，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的上下料。

實(shí)踐證明，改造后的數(shù)控加工中心能成功運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行上下料，從而可取代人完成惡劣工況下的作業(yè)。

在未來(lái)的智能工廠及無(wú)人工廠，該改造技術(shù)亦可推廣運(yùn)用到到其它設(shè)備的升級(jí)換代。