導(dǎo)語：工業(yè)機(jī)器人數(shù)控加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：工業(yè)機(jī)器人是數(shù)控加工系統(tǒng)不可或缺的工具，本文從硬件和軟件兩方面入手，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為數(shù)控加工的現(xiàn)代化發(fā)展提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；數(shù)控加工系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

近些年，我國的科技水平不斷提升，這使得工業(yè)機(jī)器人逐漸走入人們的視野，并在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人實(shí)際就是如多自由度機(jī)械裝置或者是多關(guān)節(jié)機(jī)械手這樣具有較高自動(dòng)化和智能化水平的機(jī)械設(shè)備，其可以借助自身的控制能力和動(dòng)力源泉來實(shí)現(xiàn)一些人力難以完成的工作。但是，要想在數(shù)控加工領(lǐng)域有效應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，并保證其綜合效用的有效發(fā)揮，相關(guān)領(lǐng)域需要結(jié)合實(shí)際情況，對數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

1基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)構(gòu)成

1.1材料堆放及翻轉(zhuǎn)單元

材料堆放及翻轉(zhuǎn)單元涉及原料平面檢測倉、過濾減壓閥、材料翻轉(zhuǎn)氣爪以及系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)等內(nèi)容。主要功能如下：對系統(tǒng)進(jìn)行啟停、急停、復(fù)位操作；存放待加工原材料；作為系統(tǒng)氣源進(jìn)口，過濾減壓；原材料加工過程中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即在原材料一頭經(jīng)機(jī)床加工以后，機(jī)器人會(huì)控制翻轉(zhuǎn)氣爪對其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從而完成另一面的加工處理。

1.2皮帶運(yùn)輸單元

皮帶運(yùn)輸單元的核心部分為皮帶傳輸機(jī)構(gòu)，動(dòng)力來源于異步電動(dòng)機(jī)。在機(jī)器人將待加工材料放置在皮帶上以后，傳送帶會(huì)在收到運(yùn)行指令以后啟動(dòng)運(yùn)行，而在材料達(dá)到既定位置以后，尾部傳感器會(huì)檢測并發(fā)出信號，將傳送帶停止，直到機(jī)器人對材料進(jìn)行抓取。

1.3上下料單元

上下料單元包含工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等內(nèi)容，具有較高的自動(dòng)化水平，主要是由工業(yè)機(jī)器人將待加工工件移動(dòng)至機(jī)床加工工位進(jìn)行自動(dòng)加工，在完成加工以后，工業(yè)機(jī)器人抓取工件并將其放到相應(yīng)的位置上。

1.4控制器與氣源供應(yīng)單元

控制器與氣源供應(yīng)單元主要由變頻器、斷路器、空氣壓縮機(jī)、三菱可編程邏輯控制器（PLC）、接線端子排以及開關(guān)電源等構(gòu)成，是電氣元件的一種匯集體，能夠進(jìn)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(jī)器人及碼垛立體倉庫兩部分。本設(shè)計(jì)主要使用ABBIRB1410工業(yè)機(jī)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(dá)到既定位置以后，機(jī)器人會(huì)隨之啟動(dòng)進(jìn)行工件的抓取，并根據(jù)倉庫工件碼放情況，按順序進(jìn)行入庫處理?；诠I(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)主要應(yīng)用三菱PLC當(dāng)作控制中心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)備選型

本系統(tǒng)應(yīng)用的硬件設(shè)備主要包括ABBIRB1410工業(yè)機(jī)器人、供氣系統(tǒng)、光電傳感器、RS485通信模塊、華中HNC-180XP/T3數(shù)控系統(tǒng)、限位開關(guān)、三菱FR-D720S變頻器、三菱FX3U系列PLC以及相關(guān)部件等。利用這些硬件設(shè)施，數(shù)控加工中心可以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人負(fù)責(zé)材料的靈活抓取，數(shù)控機(jī)床負(fù)責(zé)各項(xiàng)材料的加工，并對材料以及零部件進(jìn)行移動(dòng)。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

在TCP/IP協(xié)議中，Modbus/TCP屬于Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議，屬于標(biāo)準(zhǔn)形式的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。該協(xié)議能夠通過網(wǎng)絡(luò)或者相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制器間的有效通信，并滿足控制器與工業(yè)機(jī)器人間的通信需求。PLC編程軟件需要調(diào)用Modbus/TCP的指令庫。由于指令是Modbus/TCP服務(wù)器順利通過控制器與PLC集成接口有效連接和通信的基礎(chǔ)保障，因此網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)過程需要應(yīng)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(fā)送和響應(yīng)，而后者則可以在服務(wù)器和客戶端之間構(gòu)建連接，對相關(guān)請求進(jìn)行發(fā)送、接收、響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP服務(wù)器連接終端的有效控制［1］?？刂破鱌LC和機(jī)器人之間進(jìn)行交互，主要是為了接收PLC的動(dòng)作指令，具體地執(zhí)行指令動(dòng)作，同時(shí)將動(dòng)作執(zhí)行情況反饋至PLC，確保系統(tǒng)運(yùn)行的正常性。而工業(yè)機(jī)器人向主控制器PLC反饋的信息通常由指令響應(yīng)狀態(tài)信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息等內(nèi)容構(gòu)成。數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人之間的通信主要是通過以下設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。首先，數(shù)控機(jī)床的夾具、安全門以及加工狀態(tài)等信息都會(huì)以布爾量為基礎(chǔ)，在指定寄存器中存放。工業(yè)機(jī)器人會(huì)通過Modbus設(shè)備讀取多個(gè)寄存器中的數(shù)值，并判斷其中的布爾量，以設(shè)定動(dòng)作軌跡［2］。與此同時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)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(jìn)行說明。該P(yáng)LC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(dòng)檢測、機(jī)器人完成物件抓?。∣UT2）以及機(jī)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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，Y2為電機(jī)抱閘，其余輸出端口則分別是機(jī)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(jìn)行選擇和確定以外，還要對機(jī)床信號、機(jī)器人信號以及PLC通信信號加以確定。［3］。

3基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

第一，復(fù)位，由工業(yè)機(jī)器人1#到材料庫位進(jìn)行材料抓取，然后將其放置在數(shù)控機(jī)床上，在數(shù)控機(jī)床夾具將材料夾緊以后，工業(yè)機(jī)器人1#在機(jī)床外等候。第二，機(jī)床對材料進(jìn)行加工處理，其間，工業(yè)機(jī)器人1#會(huì)在機(jī)床進(jìn)行取件，在機(jī)床夾具松開以后，將材料放在旋轉(zhuǎn)夾具上夾緊，并在一旁等候。在完成材料旋轉(zhuǎn)以后，工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)取件，回到材料放置工位，并將旋轉(zhuǎn)夾具復(fù)位，待機(jī)床夾緊材料以后，再次在一旁等候。第三，在機(jī)床完成材料的二次加工以后，會(huì)將工件放置到傳動(dòng)帶中，運(yùn)送至機(jī)床末端，處在機(jī)床末端部位的工業(yè)機(jī)器人2#會(huì)對工件進(jìn)行夾取，在其離開傳動(dòng)帶末端以后，傳動(dòng)帶會(huì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，完成工件的庫存處理。第四，工業(yè)機(jī)器人2#在完成相關(guān)工作以后會(huì)回到傳動(dòng)帶末端，等待工件達(dá)到信號，然后循環(huán)運(yùn)行［4］。

3.1PLC控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的三菱PLC有2臺(tái)，在進(jìn)行控制程序編寫的過程中，將0#PLC設(shè)為主站，而1#PLC作為從站使用.在此過程中，從站個(gè)數(shù)應(yīng)為1，而通信方面的軟元件點(diǎn)刷新模式也應(yīng)該是1，重試次數(shù)可以設(shè)置成3次。通信超時(shí)上限可以設(shè)置為50ms，需要注意的是，這個(gè)超時(shí)限值應(yīng)該參考2臺(tái)PLC的設(shè)置距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常，距離越長，則設(shè)置的時(shí)間應(yīng)該越長［5］。

3.2工業(yè)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方面具有相應(yīng)的控制機(jī)能，因此可以設(shè)置連續(xù)軌跡，也可以設(shè)置點(diǎn)位軌跡。其中，點(diǎn)位軌跡就是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一點(diǎn)向另一點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的移動(dòng)和定位，通常在一般裝卸、運(yùn)輸以及機(jī)床上下料等操作中使用。而在數(shù)控加工中，原材料運(yùn)輸和零件倉儲(chǔ)都可以通過系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人來完成。此外，為了有效提升上下料機(jī)器人的工作精度及效率，人們還需要結(jié)合其末端位置姿態(tài)和運(yùn)行路徑，針對其運(yùn)行軌跡進(jìn)行平滑參數(shù)的調(diào)整，在兩臺(tái)直線路徑中進(jìn)行過渡路徑的規(guī)劃。在數(shù)控機(jī)床上下料操作中，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)多為直線路徑，而在兩個(gè)相鄰路徑之間設(shè)置過渡點(diǎn)，應(yīng)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(shí)現(xiàn)，因此其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行有效的應(yīng)用。結(jié)合工業(yè)機(jī)器人對工件的放置要求，人們需要保證工業(yè)機(jī)器人末端夾具垂直運(yùn)行至起始位置P1，而P1到達(dá)P2位置的運(yùn)行軌跡如圖2（a）所示，主要為直線軌跡，P1需要在水平移動(dòng)以后到達(dá)距離P2位置的50cm處，然后垂直運(yùn)動(dòng)50cm，到達(dá)既定位置。如果應(yīng)用圓弧過渡算法，將機(jī)械下一運(yùn)動(dòng)距離與原有運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行重疊，就獲得新的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2（b）所示。下面使用Move.Force⁃Overlap指令，使工業(yè)機(jī)器人從P1移動(dòng)到P2位置，將運(yùn)動(dòng)距離和目標(biāo)距離進(jìn)行百分比重疊，系統(tǒng)程序最終會(huì)對2個(gè)距離進(jìn)行50%的重疊處理。完成準(zhǔn)備工作以后，數(shù)控機(jī)床會(huì)向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送相關(guān)信號，而工業(yè)機(jī)器人接收到該信號以后，就會(huì)執(zhí)行動(dòng)作，對原材料進(jìn)行輸送，將其放置在機(jī)床夾盤處夾緊，然后機(jī)械臂會(huì)隨之退出，并將數(shù)控門關(guān)閉，最后有數(shù)控門部分的限位開關(guān)會(huì)數(shù)控加工指令。在進(jìn)行數(shù)控加工的過程中，根據(jù)不同的原材料、精度要求以及元件特性，運(yùn)行軌跡也不盡相同。具體運(yùn)行軌跡是由數(shù)控編程來決定的，但加工流程基本是一致的。

4結(jié)語

以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和應(yīng)用數(shù)控加工系統(tǒng)，能夠有效提高數(shù)控加工的自動(dòng)化水平和智能化水平，保證數(shù)控加工效率和質(zhì)量，這對于數(shù)控加工領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，對數(shù)控加工系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究與應(yīng)用，確保其能夠在數(shù)控加工生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者：李笑平 單位：成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院