引言

在工業(yè)4.0和"中國制造2025"背景下,制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,智能制造業(yè)已經(jīng)邁入高速發(fā)展階段,工業(yè)機器人得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)機器人可以應(yīng)用在各種各樣的生產(chǎn)活動中,可以是在不同的單品生產(chǎn)線中,也可以是在不同的生產(chǎn)規(guī)模中,尤其是在一些柔性生產(chǎn)線上,其經(jīng)常被使用。工業(yè)機器人具有精度高、靈活性強及可編程等特點,能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境,將工業(yè)機器人引入實際作業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)生產(chǎn)自動化,不僅可以保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,同時還避免了大量工傷事故的發(fā)生。

隨著PpL技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、機械等技術(shù)的不斷融合,PpL的應(yīng)用范圍越來越廣,這也反過來促使PpL技術(shù)不斷朝多元素、多角度等綜合性應(yīng)用的方向發(fā)展。本文將機器人控制技術(shù)和PpL控制技術(shù)相結(jié)合,分析數(shù)控銑床的加工工藝流程,設(shè)計數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng),將工業(yè)機器人應(yīng)用于數(shù)控銑床上下料中代替人工勞動,改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式,帶動了工廠的轉(zhuǎn)型升級。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1上下料控制系統(tǒng)概述

西門子Cs-1200PpL設(shè)計緊湊、組態(tài)靈活,且具有功能強大的指令集,可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿足自動化需求,使用PpL設(shè)計控制系統(tǒng)可靠性更高。為了滿足實際生產(chǎn)需求,并考慮系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,以西門子Cs-1233PpL和機器人為研究對象,將機器人和PpL控制技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計基于廣數(shù)機器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng),應(yīng)用于鋁合金門窗制造行業(yè)。

基于廣數(shù)機器人的數(shù)控銑床上下料系統(tǒng)主要是針對430～33mm長度鋁合金型材半成品銑孔加工而開發(fā)的,采用機器人實現(xiàn)上下料搬運,系統(tǒng)前端與鋁合金型材切割設(shè)備出料口連接,中間段有鏈?zhǔn)骄彺嬖O(shè)備,后端與數(shù)控銑床對接實現(xiàn)型材銑孔加工工序,還配備掃碼設(shè)備,各環(huán)節(jié)設(shè)備通過輸送線體連接實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),形成一條完整的自動化產(chǎn)線。

該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)型材自動加工和連續(xù)生產(chǎn),提高機械生產(chǎn)效率和質(zhì)量,而且能有效解決線上鋁合金型材的緩存煩瑣問題。

1.2上下料控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:PpL控制器、觸摸屏、掃碼設(shè)備、鏈?zhǔn)骄彺婕?、?shù)控銑床以及工業(yè)機器人,其硬件拓?fù)鋱D如圖1所示。觸摸屏采用威綸通MT～102iE觸摸屏,用于操作整個系統(tǒng)、設(shè)置相關(guān)參數(shù)以及顯示系統(tǒng)異常信息。PpL采用西門子Cs-1214LPpL作為系統(tǒng)的核心控制器,下發(fā)控制指令控制型材的輸送,與數(shù)控銑床信號交互實現(xiàn)機器人抓取動作控制等。掃碼設(shè)備選擇基恩士CR-1333掃碼器,與PpL通過Profinet進(jìn)行通信,用于掃描來料型材二維碼,識別讀取二維碼成功后,把型材條碼ID發(fā)送給PpL。機器人為廣州數(shù)控GCKRB75-2353機器人,機器人負(fù)責(zé)抓取輸送線體上待加工的型材到數(shù)控銑床進(jìn)行銑孔加工,以及從數(shù)控銑床抓取已加工完成的型材。鏈?zhǔn)骄彺婕苡糜诰彺娲庸さ匿X合金型材,解決線上鋁合金型材緩存煩瑣的問題,當(dāng)型材沒來得及加工或者數(shù)控銑床出現(xiàn)故障時,型材會先被緩存到鏈?zhǔn)骄彺婕苌?待數(shù)控銑床空閑時再進(jìn)行銑孔加工。數(shù)控銑床為飛幕ADIRC數(shù)控銑床,當(dāng)型材被抓取到加工工位時,根據(jù)型材的二維碼ID和加工文件數(shù)據(jù)匹配進(jìn)行銑孔加工,銑孔加工完成后再由機器人抓取進(jìn)行下料。

基于廣數(shù)機器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)從鋁合金型材來料輸送、中間緩存、加工上料、加工下料到出料輸送全程采用機械化,無須人工搬運,減少了中間環(huán)節(jié),對提高生產(chǎn)的自動化水平起到了重要作用,還能降低人力勞動成本。更重要的是,鋁合金型材精度和表面質(zhì)量大大提高,改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.l控制系統(tǒng)功能設(shè)計

機器人系統(tǒng)具有很強的柔性,可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn),采用機器人上下料能有效降低用工成本和提高生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)的數(shù)控銑床作業(yè)流程中引入機器人,對作業(yè)流程和控制方法加以改進(jìn),設(shè)計出新的控制流程。數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

首先,鋁合金型材被輸送到位后,掃碼器設(shè)備讀取型材上的二維碼信息,系統(tǒng)先根據(jù)型材條碼信息(條碼ID和加工數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)）判斷型材是否需要進(jìn)行銑孔加工。其次,如果不需要加工則通過出料線體輸送出料;若型材需要進(jìn)行銑孔加工,則先判斷數(shù)控加工中心是否有空閑的工位,若加工中心無空閑工位,則型材被輸送至鏈?zhǔn)骄彺婕苓M(jìn)行緩存。再次,鏈?zhǔn)骄彺婕芫彺嫘筒臄?shù)量大于1時,也進(jìn)行是否有空閑加工工位的判斷,若加工中心有空閑工位,則把型材通過線體輸送至相應(yīng)機器人工位。最后,當(dāng)機器人工位有等待抓取的鋁合金型材時,機器人把型材抓取到數(shù)控銑床加工工位進(jìn)行銑孔加工,待加工完成后機器人再從銑床加工工位把型材抓取至機器人工位,由輸送線體輸送至出料線體出料。如此往復(fù)循環(huán),即可完成數(shù)控銑床上下料工序,從而提高設(shè)備加工效率。

2.2機器人控制流程設(shè)計

機器人通過示教器控制工具末端達(dá)到指定的位置和姿態(tài),記錄機器人位姿數(shù)據(jù)并編寫機器人運動指令,完成機器人在正常運行加工中的軌跡規(guī)劃及位姿等關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)記錄[5]。機器人實際運行時通過示教路徑軌跡再現(xiàn)方式,用最優(yōu)路徑運動實現(xiàn)數(shù)控銑床自動上下料加工任務(wù),能高效完成配合動作,節(jié)省上下料搬運時間。根據(jù)數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)控制功能要求,對機器人上下料控制流程進(jìn)行設(shè)計,如圖3所示。

3系統(tǒng)通信設(shè)計

3.l系統(tǒng)間信號交互設(shè)計

數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)在博圖V16編程平臺上編寫PLC程序,PLC與機器人通過ModbusTCP進(jìn)行通信,數(shù)控銑床與上下料系統(tǒng)PLC通過I/o方式通信,通過信號交互實現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)通。數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)信號交互流程如圖4所示。

首先,當(dāng)數(shù)控銑床空閑時,給PLC系統(tǒng)發(fā)送加工工位空閑信號。然后,待加工型材物料到位時,PLC給機器人發(fā)送上料抓取信號,機器人抓取型材至數(shù)控銑床,機器人反饋放料完成信號給PLC,PLC把此信號傳給數(shù)控銑床,同時PLC把該型材條碼ID發(fā)送給數(shù)控銑床工控系統(tǒng)。最后,數(shù)控銑床獲取到條碼1D數(shù)據(jù)后,與生產(chǎn)加工單數(shù)據(jù)匹配進(jìn)行銑孔加工,加工完成時,數(shù)控銑床給PLC發(fā)送加工完成信號,PLC收到此信號后把該信號傳給機器人,機器人到數(shù)控銑床抓取已加工的型材放至輸送線體,并反饋取料完成信號給PLC,PLC再把機器人取料完成信號反饋給數(shù)控銑床。

3.2ModbusTCP通信設(shè)計

施耐德公司于1996年推出了基于以太網(wǎng)TCP/IP的Modbus協(xié)議Modbus/TCP[6]。目前,Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域最流行應(yīng)用最廣泛的真正開放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。上下料控制系統(tǒng)中西門子s7-1200PLC與廣州數(shù)控機器人采用ModbusTCP通信方式,PLC作主站,機器人作從站,兩者之間通過s7-1900CP2上的Profinet端口進(jìn)行通信,不需要增加額外的通信模塊。PLC通過MBCL1一ET指令對機器人進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作,ModbusTCP通信程序如圖5所示。

圖5ModbusTCP通信程序

在參數(shù)設(shè)置時,當(dāng)MBM0DE模式為9時,把MBDATAPTR數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)寫入到機器人系統(tǒng):當(dāng)MBM0D一模式為0時,把機器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取到MBDATAPTR數(shù)據(jù)區(qū)。C0EE一CT參數(shù)為連接伙伴)機器人）參數(shù),存放在"Robot"DB數(shù)據(jù)塊中,C0EE一CT參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4結(jié)語

針對數(shù)控銑床銑孔加工工藝要求,通過優(yōu)化改進(jìn),利用PLC控制技術(shù),采用廣州數(shù)控機器人上下料搬運,設(shè)計出了基于廣數(shù)機器人的數(shù)控銑床上下料控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在門窗制造行業(yè)某門窗廠銑床加工工序?qū)嶋H生產(chǎn)中得到應(yīng)用,經(jīng)過實際驗證,系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)可行性高,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,能取代傳統(tǒng)人工操作模式,實現(xiàn)用機器人上下料來控制設(shè)備加工節(jié)拍,減少人工誤差,極大地提高生產(chǎn)效率。