摘要：在大批量數(shù)控銑削加工機(jī)械零部件過程中，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．通過增加空氣開關(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，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 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)送使卡盤松開的信號(hào)．?dāng)?shù)控機(jī)床內(nèi)置 ＰＭＣ 用來控制夾緊氣缸電磁閥、門氣缸開關(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，由氣缸控制其開關(guān)，開關(guān)狀態(tài)由行程開關(guān)反饋給機(jī)器人；夾具改造為氣動(dòng)卡盤，卡盤的開關(guān)由磁性開關(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 ＰＬＣ 進(jìn)行通信，需要編寫通信程序，數(shù)控機(jī)床通過 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合，這些動(dòng)作通過運(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
３．２ ＰＬＣ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
３．３ ＰＭＣ梯形圖設(shè)計(jì)
ＰＭＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）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)床改造開發(fā)了如下輔助代碼 Ｍ：安全門開關(guān)代碼、夾具松開夾緊代碼、主軸吹氣打開關(guān)閉代碼、機(jī)床準(zhǔn)備代碼、開始加工代碼、加工完成代碼、取料完成代碼．表２為開發(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２ ＦＵＮＵＣ數(shù)控加工中心 Ｍ 代碼說明表
圖 ８ 為 卡 盤 夾 具 開 關(guān)ＰＭＣ程序圖，夾具開代碼為 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)床夾具開關(guān) ＰＭＣ程序圖
３．４ 數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)
根據(jù)開發(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)。
在未來的智能工廠及無人工廠，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。
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