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         采用機械手實現(xiàn)自動上下料技術(shù)是機器人技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面。機器人自動上下料系統(tǒng)具有定位精度高、無疲勞作業(yè)、結(jié)構(gòu)簡單、便于維護等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于各制造領(lǐng)域。

  

         在小型齒輪加工過程中，大多數(shù)中小企業(yè)仍采用人工或半自動作業(yè)，齒輪的上下料需要重復(fù)持續(xù)作業(yè)，工人勞動強度較大，持續(xù)作業(yè)的一致性與精準(zhǔn)性得不到保證而導(dǎo)致的齒輪質(zhì)量不合格問題也時有發(fā)生。隨著用工成本的提高及生產(chǎn)效率提升帶來的競爭壓力，加工能力的自動化程度及柔性制造能力成為企業(yè)競爭力提升的關(guān)鍵。

  

         本文以某企業(yè)實際生產(chǎn)需求為研究背景，從改進小型齒輪加工過程中人工上下料存在的不足出發(fā)，設(shè)計了一套小型齒輪加工單元自動上下料系統(tǒng)。系統(tǒng)以S7-1500PLC 為主控制器，綜合運用了工業(yè)機器人技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及傳感器技術(shù)等，有效的實現(xiàn)了齒輪加工過程中的自動上下料工作。降低了工人勞動強度，保證了產(chǎn)品加工質(zhì)量，實現(xiàn)了小型齒輪的大批量、自動化生產(chǎn)。

  

         1、系統(tǒng)方案提出

  

         1． 1 系統(tǒng)組成、布局確定

  

         此項目要求機器人上下料工件為小型齒輪，如圖1 所示。工件包括兩道加工工序: 端面及外圓車削和輪齒加工。

  

         由工件加工工藝分析擬定采用數(shù)控車床對齒輪的端面及外圓進行車削?？紤]到齒輪整體加工精度要求不高，且需要大批量加工，故選取滾齒的加工工藝。在合理計算、規(guī)劃機床加工時間與機器人上下料時間的前提下，本項目采用一臺工業(yè)機器人為一臺數(shù)控車床及一臺數(shù)控滾齒機上下料的方案，輔以工件翻轉(zhuǎn)臺、工件儲料架等周邊設(shè)備，搭建一個小型齒輪加工單元自動上下料系統(tǒng)。機器 人 選 用 UR10 工 業(yè) 機 器人，有效負(fù)載 10kg，工作范圍可達(dá) 1300mm，接口兼容大多數(shù)工業(yè)傳感器及 PLC，支持以太網(wǎng)通訊; 采用 SIEMENS 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床，機床卡盤與防護門均采用氣動控制方式，且設(shè)有工作到位檢測開關(guān)。系統(tǒng)布局如圖 2所示。

  

  

         1． 2 工作過程規(guī)劃

  

         根據(jù)加工單元技術(shù)要求及工藝特點，并結(jié)合加工單元結(jié)構(gòu)組成，對工作過程進行規(guī)劃，如圖 3 所示。

  

         考慮到加工單元初次工作時，數(shù)控車床內(nèi)部并無成品完成件，因此需由機器人首次取料至車床加工，待加工完成后，由翻轉(zhuǎn)臺進行加工面更換，繼續(xù)上料數(shù)控車床，然后從毛坯儲料架繼續(xù)抓料。待前工件加工完成后，機器人雙手爪工作，進行車床上下料操作，滾齒機內(nèi)部同樣無成品完成件，因此只進行一次車削完成件的上料操作。如圖中虛線框所示。

  

  

         2、控制系統(tǒng)設(shè)計

  

         2． 1 控制單元組成

  

         系統(tǒng)包括數(shù)控車床、數(shù)控滾齒機、工業(yè)機器人、儲料架、翻轉(zhuǎn)臺 5 個控制單元。各控制單元完成動作后，須有相應(yīng)的動作完成信號發(fā)出，從而通知系統(tǒng)下一步的動作。

  

         為保證各控制單元的正常工作順序及控制邏輯的合理性，加工單元采用西門子 S7-1500 系列 PLC 作為主控制器，統(tǒng)一接收處理各控制單元的傳輸信號，協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的動作響應(yīng)。PLC 接有人機界面觸摸屏，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)的集中監(jiān)控。翻轉(zhuǎn)臺及儲料架的動作由主控 PLC 控制，機器人與數(shù)控機床由自身集成的控制器控制，機器人、數(shù)控機床控制單元采用MODBUS-TCP 協(xié)議與主控 PLC 通訊。加工單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖如圖 4 所示。

  

  

         2． 2 通信系統(tǒng)建立

  

         為提升系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的時效性，有效實現(xiàn)各設(shè)備之間的通訊連接，上下料系統(tǒng)需采用安全可靠、準(zhǔn)確快速的通訊方式。

  

         系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，將機器人、數(shù)控機床、主控 PLC、觸摸屏、終端計算機等進行通訊連接。其中機器人負(fù)責(zé)工件上下料示教編程，主控 PLC 除協(xié)調(diào)其他設(shè)備之間的信息交互，還控制翻轉(zhuǎn)臺及儲料架的動作。觸摸屏用于工作狀態(tài)的監(jiān)控、提示。終端計算機負(fù)責(zé)程序的編程與調(diào)試。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

  

  

         2． 2． 1 MODBUS TCP 通信協(xié)議

  

         MODBUS-TCP 通信協(xié)議是運行在 TCP / IP 上的一種通信傳輸協(xié)議，利用該協(xié)議構(gòu)建的以太網(wǎng)絡(luò)具有成本低，通訊高效、穩(wěn)定，簡單易用等特點，可實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的有效通訊，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)中，主控 PLC、機器人、數(shù)控機床控制器等均集成以太網(wǎng)接口，可通過 MODBUS-TCP 通信協(xié)議實現(xiàn)通訊連接。數(shù)據(jù)傳輸建立之前，MODBUS-TCP 通信協(xié)議需確定設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，并建立 MODBUS 與 PLC 間的響應(yīng)地址，從而保證通信的正常穩(wěn)定。

  

         2． 2． 2 主控 PLC 與機器人通訊

  

         調(diào)用西門子 TIA Portal 軟件內(nèi)嵌的 S7-1500 MOD-BUS-TCP 庫函數(shù)實現(xiàn)主控 PLC 與機器人的以太網(wǎng)通信，完成設(shè)備間的參數(shù)配置及狀態(tài)讀寫。主控 PLC 作為MODBUS-TCP 客戶端發(fā)送讀寫請求，服務(wù)端機器人負(fù)責(zé)請求的響應(yīng)。

  

         為保證主控 PLC 正確地發(fā)送和接收機器人數(shù)據(jù)，MODBUS-TCP 通信必須設(shè)計好兩者之間的數(shù)據(jù)讀寫區(qū)域。通信數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位存儲于設(shè)備寄存器中，以字作為傳輸單位，以位為尋址單位。以 PLC 讀取機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)為例，通過“機器人狀態(tài)字”讀取函數(shù)，將機器人內(nèi)部輸出變量 SYSTEM /DO0 對應(yīng)的 MODB-US 地址開始的 4 個字，讀入主控 PLC 并存放在 P #M3000． 0 開始的 4 字中; 當(dāng) PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)至機器人時，“機器人控制字”函數(shù)工作，將 P#M3100． 0 中的開始 4個字 節(jié) 寫 入 機 器 人 輸 入 變 量 SYSTEM /DI0 對 應(yīng) 的MODBUS 地址開始的 4 個字節(jié)中。主控 PLC 讀取和寫入機器人部分信號見表 1。

  

  

         IP 地址分配是使用 MODBUS-TCP 通信的必須步驟，要保證所有設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址必須在同一網(wǎng)段內(nèi)。利用 TIA Portal 為系統(tǒng)各個硬件分配 IP 地址，主控PLC IP 地址為 192． 168． 8． 10，機器人 IP 地址為 192．168． 8． 103。

  

         明確了機器人與主控 PLC 之間讀寫信號及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，分配各設(shè)備 IP 地址后，調(diào)用“MB_CLIENT”通信指令，實現(xiàn)客戶端與服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)讀寫通信連接。編制的 MODBUS-TCP 通訊程序如圖 6 所示。

  

  

         3、機器人上下料程序設(shè)計

  

         3． 1 機器人上下料路徑規(guī)劃

  

         機器人要完成在儲料架、數(shù)控機床、翻轉(zhuǎn)臺之間的上下料工作，移動路徑多樣，有必要對機器人上下料運動路線進行設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，利用 UR 機器 人 示 教 編 程，規(guī)劃的機器人上下料路線圖如圖7 所 示。 設(shè) 計 過程 中，為 減 小 機器 人 與 儲 料 架、機床夾具之間的配 合 偏 差，固 定配 合 移 動 方 向，保證工件持續(xù)裝夾作業(yè)的一致性，需在機器人上下料處設(shè)置不同的 TCP 坐標(biāo)點，即建立不同的工具坐標(biāo)系。

 

 

  

         圖中 A、B 兩點為毛坯抓取點與成品放置點，a、b為上下料的初始準(zhǔn)備位置; C、D、E 分別為數(shù)控車床、翻轉(zhuǎn)臺、數(shù)控滾齒機的工件裝夾處，c、e 分別為機器人與數(shù)控機床之間上下料的初始準(zhǔn)備位置。

  

         3． 2 機器人上下料流程設(shè)計

  

         根據(jù)機器人上下料路徑規(guī)劃，設(shè)計的機器人運動流程圖如圖 8 所示。

  

  

         3． 3 機器人上下料程序編程

  

         Polyscope 編程為 UR 機器人 UI 層編程方式，示教器上編輯程序，機器人執(zhí)行，編程方式簡單，程序易于調(diào)試、修改。根據(jù)機器人的軌跡規(guī)劃及上下料流程，編寫了機器人上下料程序。以機器人上下料數(shù)控車床運動程序為例，描述如下。圖 9 為機器人上下料數(shù)控車床現(xiàn)場圖。

  

  

         ． ． ． ． ． ．

         LOOP 9 TIMES

         MOVEJ Waypoint1; 機器人初始位置準(zhǔn)備

         Call Sub Program1: 機器人抓取毛坯件子程序

         Call Sub Program2: 機器人上下料數(shù)控車床子程序

         MOVEJ Waypoint4; 機器人至車床準(zhǔn)備位置

         Wait DI14 = HI; 等待車床加工完成信號

         Wait DI6 = HI; 等待車床門打開到位信號

         MOVEL Waypoint5; 手爪 2 至卡盤右側(cè) 5CM 處

         MOVEL Waypoint6; 手爪 2 至工件裝夾處

         Set DO1 = OPEN; 手爪 2 夾緊

         Wait DI3 = HI; 等待手爪 2 夾緊到位信號

         Wait DI12 = HI; 等待車床卡盤松開到位信號

         MOVEL Waypoint5;

         MOVEJ Waypoint7; 手爪 1、2 位置互換

         MOVEL Waypoint6; 手爪 1 至工件裝夾處

         Wait DI10 = HI; 等待車床卡盤夾緊到位信號

         Set DO0 = CLOSE; 手爪 1 張開

         Wait DI4 = HI; 等待手爪 1 張開到位信號

         MOVEL Waypoint5;

         MOVEL Waypoint4;

         Wait DI8 = HI; 等待車床門關(guān)閉到位信號

         Wait DI14 = HI; 等待車床加工完成信號

         Wait DI6 = HI; 等待車床門打開到位信號

         MOVEL Waypoint5;

         MOVEL Waypoint6;

         Set DO0 = OPEN; 手爪 1 夾緊

         Wait DI2 = HI; 等待手爪 1 夾緊到位信號

         Wait DI12 = HI; 等待車床卡盤松開到位信號

         MOVEL Waypoint5;

         MOVEL Waypoint4;

         Call Sub Program3; 機器人上料翻轉(zhuǎn)臺子程序

         Call Sub Program4; 機器人上料數(shù)控車床子程序

         Call Sub Program5; 機器人上下料滾齒機子程序

         Call Sub Program6; 機器人下料成品件子程序

         MOVEJ Waypoint1;

  

         對企業(yè)布局的 6 處小型齒輪加工單元進行加工試驗，分別加工齒輪 20 件，與人工作業(yè)相比，自動上下料系統(tǒng)加工效率得到顯著提高，產(chǎn)品穩(wěn)定性得到進一步改善。對比結(jié)果見表 2。

  

    

         4、結(jié)束語

  

         在“智能制造”的發(fā)展規(guī)劃下，小型齒輪加工單元自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計為中小企業(yè)自動化程度及競爭力的提高提供了新思路?，F(xiàn)場加工試驗表明:

  

         (1) 通過合理布局自動上下料系統(tǒng)，可有效地節(jié)省人力資源及企業(yè)用工成本，提高中小企業(yè)加工效率;

         (2) 自動上下料系統(tǒng)具有較高的重復(fù)定位精度，成品件一致性較人工作業(yè)得到大幅度提高;

         (3) 系統(tǒng)采用西門子 S7-1500PLC 作為主控制器，通過 MODBUS-TCP 通信協(xié)議，實現(xiàn)了工序間的信息流、工序轉(zhuǎn)換的自動化，布局簡單，調(diào)試方便。