工業機器人數控加工系統設計探討

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摘要：工業機器人是數控加工系統不可或缺的工具，本文從硬件和軟件兩方面入手，設計基于工業機器人的數控加工系統。該系統的設計及應用進一步提高了生產效率和產品質量，為數控加工的現代化發展提供有力支撐。

關鍵詞：工業機器人；數控加工系統；設計

近些年，我國的科技水平不斷提升，這使得工業機器人逐漸走入人們的視野，并在相關領域得到廣泛應用。工業機器人實際就是如多自由度機械裝置或者是多關節機械手這樣具有較高自動化和智能化水平的機械設備，其可以借助自身的控制能力和動力源泉來實現一些人力難以完成的工作。但是，要想在數控加工領域有效應用工業機器人，并保證其綜合效用的有效發揮，相關領域需要結合實際情況，對數控加工系統進行合理設計。

1基于工業機器人的數控加工系統構成

1.1材料堆放及翻轉單元

材料堆放及翻轉單元涉及原料平面檢測倉、過濾減壓閥、材料翻轉氣爪以及系統控制機構等內容。主要功能如下：對系統進行啟停、急停、復位操作；存放待加工原材料；作為系統氣源進口，過濾減壓；原材料加工過程中進行翻轉，即在原材料一頭經機床加工以后，機器人會控制翻轉氣爪對其進行翻轉，從而完成另一面的加工處理。

1.2皮帶運輸單元

皮帶運輸單元的核心部分為皮帶傳輸機構，動力來源于異步電動機。在機器人將待加工材料放置在皮帶上以后，傳送帶會在收到運行指令以后啟動運行，而在材料達到既定位置以后，尾部傳感器會檢測并發出信號，將傳送帶停止，直到機器人對材料進行抓取。

1.3上下料單元

上下料單元包含工業機器人、數控機床等內容，具有較高的自動化水平，主要是由工業機器人將待加工工件移動至機床加工工位進行自動加工，在完成加工以后，工業機器人抓取工件并將其放到相應的位置上。

1.4控制器與氣源供應單元

控制器與氣源供應單元主要由變頻器、斷路器、空氣壓縮機、三菱可編程邏輯控制器（PLC）、接線端子排以及開關電源等構成，是電氣元件的一種匯集體，能夠進行氣源以及電源的有效供給。

1.5智能分揀單元

智能分揀單元主要涉及分揀機器人及碼垛立體倉庫兩部分。本設計主要使用ABBIRB1410工業機器人以及3×3碼垛立體倉庫。具體功能如下：在傳送帶尾部，傳感器檢測到工件達到既定位置以后，機器人會隨之啟動進行工件的抓取，并根據倉庫工件碼放情況，按順序進行入庫處理。基于工業機器人的數控加工系統主要應用三菱PLC當作控制中心，系統結構如圖1所示。

2基于工業機器人的數控加工系統硬件設計

2.1設備選型

本系統應用的硬件設備主要包括ABBIRB1410工業機器人、供氣系統、光電傳感器、RS485通信模塊、華中HNC-180XP/T3數控系統、限位開關、三菱FR-D720S變頻器、三菱FX3U系列PLC以及相關部件等。利用這些硬件設施，數控加工中心可以形成閉環控制系統，工業機器人負責材料的靈活抓取，數控機床負責各項材料的加工，并對材料以及零部件進行移動。

2.2網絡通信設計

在TCP/IP協議中，Modbus/TCP屬于Modbus報文傳輸協議，屬于標準形式的網絡通信協議。該協議能夠通過網絡或者相關設備實現控制器間的有效通信，并滿足控制器與工業機器人間的通信需求。PLC編程軟件需要調用Modbus/TCP的指令庫。由于指令是Modbus/TCP服務器順利通過控制器與PLC集成接口有效連接和通信的基礎保障，因此網絡通信設計過程需要應用MB-SERVER以及MB-CLIENT等指令。其中，前者用于對Modbus/TCP客戶端連接請求以及Modbus功能接收請求的發送和響應，而后者則可以在服務器和客戶端之間構建連接，對相關請求進行發送、接收、響應，并實現Modbus/TCP服務器連接終端的有效控制［1］。控制器PLC和機器人之間進行交互，主要是為了接收PLC的動作指令，具體地執行指令動作，同時將動作執行情況反饋至PLC，確保系統運行的正常性。而工業機器人向主控制器PLC反饋的信息通常由指令響應狀態信息、系統狀態信息、工業機器人運行狀態信息等內容構成。數控機床和工業機器人之間的通信主要是通過以下設計來實現的。首先，數控機床的夾具、安全門以及加工狀態等信息都會以布爾量為基礎，在指定寄存器中存放。工業機器人會通過Modbus設備讀取多個寄存器中的數值，并判斷其中的布爾量，以設定動作軌跡［2］。與此同時，系統網絡通信設計還需要選擇和確定PLC端口，即主站中的0#PLC和從站中的1#PLC。下面以1#PLC為例進行說明。該PLC端口涉及輸入端口和輸出端口，其中，輸入端口涉及X11、X12、X13以及X14，分別代表傳送帶材料放置檢測、傳送帶材料移動檢測、機器人完成物件抓取（OUT2）以及機器人完成放件（OUT3）。而輸出端口涉及Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7以及Y8。其中，Y0、Y1代表變頻器的正轉與反轉，Y2為電機抱閘，其余輸出端口則分別是機器人的取件（IN1）、放件（IN2）、Stop（IN3）、StartatMain（IN4）、MotorsOff（IN5）以及MotorsOn（IN6）。除了需要對上述PLC端口進行選擇和確定以外，還要對機床信號、機器人信號以及PLC通信信號加以確定。［3］。

3基于工業機器人的數控加工系統軟件設計

第一，復位，由工業機器人1#到材料庫位進行材料抓取，然后將其放置在數控機床上，在數控機床夾具將材料夾緊以后，工業機器人1#在機床外等候。第二，機床對材料進行加工處理，其間，工業機器人1#會在機床進行取件，在機床夾具松開以后，將材料放在旋轉夾具上夾緊，并在一旁等候。在完成材料旋轉以后，工業機器人繼續取件，回到材料放置工位，并將旋轉夾具復位，待機床夾緊材料以后，再次在一旁等候。第三，在機床完成材料的二次加工以后，會將工件放置到傳動帶中，運送至機床末端，處在機床末端部位的工業機器人2#會對工件進行夾取，在其離開傳動帶末端以后，傳動帶會進行反轉，完成工件的庫存處理。第四，工業機器人2#在完成相關工作以后會回到傳動帶末端，等待工件達到信號，然后循環運行［4］。

3.1PLC控制設計

本系統的三菱PLC有2臺，在進行控制程序編寫的過程中，將0#PLC設為主站，而1#PLC作為從站使用.在此過程中，從站個數應為1，而通信方面的軟元件點刷新模式也應該是1，重試次數可以設置成3次。通信超時上限可以設置為50ms，需要注意的是，這個超時限值應該參考2臺PLC的設置距離進行設計，通常，距離越長，則設置的時間應該越長［5］。

3.2工業機器人控制設計

工業機器人在執行機構運動方面具有相應的控制機能，因此可以設置連續軌跡，也可以設置點位軌跡。其中，點位軌跡就是控制執行機構從一點向另一點進行準確的移動和定位，通常在一般裝卸、運輸以及機床上下料等操作中使用。而在數控加工中，原材料運輸和零件倉儲都可以通過系統控制工業機器人來完成。此外，為了有效提升上下料機器人的工作精度及效率，人們還需要結合其末端位置姿態和運行路徑，針對其運行軌跡進行平滑參數的調整，在兩臺直線路徑中進行過渡路徑的規劃。在數控機床上下料操作中，工業機器人的運動多為直線路徑，而在兩個相鄰路徑之間設置過渡點，應用線性軌跡圓弧過渡的方式，算法較為簡單，而且在編程中容易實現，因此其在系統設計中可以進行有效的應用。結合工業機器人對工件的放置要求，人們需要保證工業機器人末端夾具垂直運行至起始位置P1，而P1到達P2位置的運行軌跡如圖2（a）所示，主要為直線軌跡，P1需要在水平移動以后到達距離P2位置的50cm處，然后垂直運動50cm，到達既定位置。如果應用圓弧過渡算法，將機械下一運動距離與原有運動距離進行重疊，就獲得新的運動軌跡，如圖2（b）所示。下面使用Move.Force⁃Overlap指令，使工業機器人從P1移動到P2位置，將運動距離和目標距離進行百分比重疊，系統程序最終會對2個距離進行50%的重疊處理。完成準備工作以后，數控機床會向工業機器人發送相關信號，而工業機器人接收到該信號以后，就會執行動作，對原材料進行輸送，將其放置在機床夾盤處夾緊，然后機械臂會隨之退出，并將數控門關閉，最后有數控門部分的限位開關會數控加工指令。在進行數控加工的過程中，根據不同的原材料、精度要求以及元件特性，運行軌跡也不盡相同。具體運行軌跡是由數控編程來決定的，但加工流程基本是一致的。

4結語

以工業機器人為基礎，設計和應用數控加工系統，能夠有效提高數控加工的自動化水平和智能化水平，保證數控加工效率和質量，這對于數控加工領域的現代化發展有著至關重要的作用。因此，相關領域應該結合實際情況，對數控加工系統進行深入的研究與應用，確保其能夠在數控加工生產中發揮更大的作用。

參考文獻：

［1］龐黨鋒，宋亞杰，王春光，等.基于工業機器人的數控加工控制系統設計［J］.機床與液壓，2020（21）：67-69.

［2］郭麗峰，趙曉飛，郭建璞，等.基于KUKA工業機器人的柔性加工系統研發［J］.北京石油化工學院學報，2018（4）：45-49.

［3］韓鴻鸞.工業機器人與數控加工的集成［J］.金屬加工（冷加工），2016（4）：4-7.

［4］周名偵，張少明，蔣祖星.工業機器人控制的機加工生產線設計與實現［J］.機電工程技術，2018（3）：76-78.

［5］鄭東梅，王慶喜，延安.工業機器人在數控機床自動上下料系統中的應用［J］.粘接，2019（11）：190-192.

作者：李笑平 單位：成都工業職業技術學院