基于工业机器人的机加工自动控制系统研制

　　摘要：根据数控机加工自动化生产线的控制要求, 以PLC为控制核心, 构建ABB工业机器人、数控车床、变频器、传感器等与运动部件之间协同作业的系统, 并通过RS485与Device Net总线通信协议, 实现各种数据交换, 达到各设备的运转控制要求。经调试运行, 机加工自动化生产线系统运转正常, 能起到提高生产效率、降低生产成本的效果。

　　关键词：工业机器人; 机加工生产线; PLC控制;

　　Abstract：According to the control requirements of CNC machine automation production line, PLC is used as the control core to construct the system of ABB industrial robots, CNC lathes, frequency converters, sensors and other moving parts, and through RS485 and Device Net bus communication protocol, to achieve a variety of data exchange, to achieve the operation of the equipment control requirements. The commissioning operation, machining automated production line system is running normally, can improve the production efficiency and reduce the cost.

　　Keyword：industrial robots; machining production line; PLC control;

　　为了提高生产效率, 减轻人员劳动强度, 降低机加工生产过程中的劳动力成本, 需对原有的数控机加工设备基础上进行升级改造, 以达到生产线一天24小时连续加工生产要求。为此, 将原人工数控机加工生产线设计成以工业机器人协同合作的机加工生产线控制系统。该系统采用PLC为控制核心, 构建2台工业机器人与原生产线设备协同合作, 实现从原料毛坯棒料、数控机加工、零件传送、堆放码垛无人控制, 从而实现整个生产过程的自动化[1-7]。

　　1、工业机器人控制的自动化生产线系统组成及工艺流程

　　本文研究的工业机器人控制的自动化生产线系统组成如图1所示。系统由原材料堆放与物料翻转、数控车床自动上下料、皮带运输、智能分拣码垛入库、控制器与气源供应5个单元。各单元实现的功能如下。

图1 工业机器人控制的自动化生产线系统组成及工艺流程

　　(1) 物料翻转单元:由工位带检测原料平面仓、物料翻转气爪、系统按钮控制盒及过滤减压阀等组成, 主要实现功能是系统启动、停止、复位和急停的操作;存放待加工的毛坯棒料;棒料经车床加工一头后由机器人搬运至翻转气爪上实现棒料的翻转, 从而在车床里实现棒料另一头的加工;系统气源的进口, 对气体进行过滤减压。

　　(2) 数控车床自动上下料单元:主要由数控车床和工业机器人组成, 由工业机器人将需加工的工件放至车床加工工位, 车床实现自动加工, 加工完成后再由机器人把工件取出放至相关地方。

　　(3) 皮带运输单元:由皮带传输机构组成, 由三相异步电动机作为动力, 当机器人将物件放至传送带上时, 传送带接到启动信号运行, 当尾部的电感传感器检测到物件到达时, 传送带即停止运行, 等待机器人来抓取。

　　(4) 智能分拣码垛入库单元:由ABB1410工业机器人和3×3码垛立体仓库组成。实现功能当传送带尾端检测到工件到达时, 机器人启动去抓取工件, 之后机器人会根据仓库各库位工件的有无按顺序入库。

　　(5) 控制器与气供单元:由三菱PLC、变频器、开关电源、断路器、接线端子排、空气压缩机组成, 是电气元部件的汇集, 提供电源和气源。

　　2、自动化生产线的硬件设计

　　工业机器人控制的自动化生产工艺流程由三菱PLC作为控制中心负责, 通过主从站通讯交互信号形式, 完成信号转换、工业机器人、数控车床和运输皮带等设备的动作全过程协调控制。整个工业机器人控制的自动化生产线工艺流程如图2所示, 主要包括:PLC控制器、机器人、数控车床、变频器、触摸屏、光电传感器及限位开关、空气压缩机与管系等。

图2 自动化生产线工艺流程

　　2.1、设备的选型

　　利用ABB IRB 1410工业机器人、华中HNC-180xp/T3数控系统、三菱FX3U系列PLC、RS485通信模块、三菱FR-D720s变频器、光电传感器及限位开关、供气系统等设备或部件组成机加工的自动化生产线闭环控制系统, 通过工业机器人的灵活抓取, 数控车床的加工, 实现物料和零件的移位和转移。

　　2.2、自动化生产线PLC的I/O确定

　　整个系统需要确定的PLC端口有2个, 主要是主站0#PLC与从站1#PLC。现以1#PLC为例说明。

　　输入端口:X11 (传送带物料放检测) ;X12 (传送带物料拿检测) ;X13 (机器人抓件完成 (OUT2) ) ;X14 (机器人放件完成 (OUT3) ) 。

　　输出端口:Y0 (变频器正转) ;Y1 (变频器反转) ;Y2 (电机抱闸) ;Y3 (机器人抓件 (IN1) ) ;Y4 (机器人放件 (IN2) ) ;Y5 (机器人Start at Main (IN3) ) ;Y06 (机器人Stop (IN4) ) ;Y7 (机器人Motors On (IN5) ) ;Y10 (机器人Motors Off (IN6) ) 。

　　除了以上需确定的PLC端口外, 还需确定PLC通讯信号、机器人信号、车床信号等, 在此不再重述。

　　2.3、PLC与工业机器人控制柜通讯模块接线图

　　生产线的电气接线图主要有主站0#PLC与从站1#PLC、数控车床、工业机器人控制柜4大部件的安装与接线。其中PLC、车床应用得比较多, 不再叙述。而工业机器人的接线相对比较少, 特别是控制柜的DSQC652通讯模块与PLC的接线, 具体如图3所示。

图3 PLC与工业机器人控制柜通讯模块DSQC652通讯模块的接线图

　　3、自动化生产线的软件编程控制设计

　　整个生产线控制流程如图4所示。从流程中可看出, PLC是整个系统的核心, 它控制着系统的正常运行, 并针对具体的情况进行指令发布, 工业机器人、数控车床和电气设备根据设定的相关信息的输入输出指令, 分别由PLC、工业机器人和数控车床三部分的程序调动对应的设备执行动作。

　　3.1、PLC控制设计

　　本自动化生产线控制系统是由2台三菱PLC组成, 通过RS485通讯模块构成N:N网络通信, 以达到动作的协调和信号的传递。控制流程如图5所示。编写程序控制时设0#PLC为主站, 1#PLC为从站, 从站个数为1个, 通信的软元件点数的刷新模式为1, 重试次数设定3次, 通信超时设置50 ms。设置超时与二台PLC的安装距离有关, 距离越长, 设置时间越长。

图4 自动化生产线控制主流程图

图5 PLC控制流程图

　　3.2、工业机器人控制设计

　　工业机器人由于具有执行机构运动的控制机能, 所以可做点位和连续轨迹。其中点位只控制执行机构由一点到另一点的准确定位, 适用于机床上下料、一般搬运和装卸等作业。因此, 自动生产线机加工的原料到机床、机床到翻转台、机床到传送带、传送带到零件仓储的作业都由工业机器人完成。现以1#工业机器人控制智能分拣码垛入库单元说明其编程思路, 如图6所示。

　　3.3、数控车床机加工控制设计

　　当数控车床准备好以后, 向机器人发送信号, 机器人接收信号动作将原材料送至车床夹盘夹紧后, 机械臂退出并关上数控门后, 由数控门限位开关发出数控加工指令。机加工的自动加工过程, 依不同加工材料、元件、精度而有所不同, 所走的轨迹是不同的, 它由数控具体的编程决定, 但流程是一样的, 如图7所示。

图6 1#机工业机器人控制智能分拣码垛入库流程图

图7 数控机加工流程图

　　4、结束语

　　机加工自动控制系统经过实际调试和使用, 满足了现场生产所需, 控制过程逻辑准确, 材料零件传送到位, 抓取精度高, 各个动作和执行机构达到设计要求, 并可以连续不间断地运行24小时, 降低了工人劳动强度, 提高了生产效率, 具有一定经济和推广价值。

　　参考文献
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