基于工業(yè)機器人上下料的多工位機加工生產(chǎn)線設計

羅劍

[摘? ? 要]文章基于生產(chǎn)節(jié)奏和加工工藝的需求，設計一條智能的生產(chǎn)線，這條生產(chǎn)線包括3臺數(shù)控加工中心、ABB 工業(yè) 機器人、運送材料的輸送線，還包括一些打磨的工位，機加工的打磨和上下料都由機器人來完成。從生產(chǎn)的角度出發(fā)，對生產(chǎn)控制系統(tǒng)和機器人的應用進行詳細的分析，解析了工業(yè)自動化在生產(chǎn)企業(yè)的應用。

[關鍵詞]工業(yè)機器人;第七軸;PLC控制系統(tǒng);伺服

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–02

[Abstract]Based on the demand of production rhythm and processing technology， an intelligent production line is designed. This production line includes 3 CNC machining centers， ABB industrial robots， a conveyor line for conveying materials， and also includes some grinding stations and machining Grinding and loading and unloading are all done by robots. From the perspective of production， a detailed analysis of the application of production control systems and robots is carried out， and the application of industrial automation in production enterprises is analyzed.

[Keywords]industrial robot; seventh axis; PLC control system; servo

近年來，一些行業(yè)由于使用工業(yè)機器人的范圍比較小，實際生產(chǎn)的需要就很難得到滿足。利用給機器人增加第七軸的智能方式可以增大工業(yè)機器人的工作范疇，機器人的生產(chǎn)廠家會加裝第七軸。下面分析經(jīng)過總線為機器人添加第七軸的解決方案。

在汽車生產(chǎn)零件的流水線上，先對零件進行熱加工的處理，然后機加工再對其表面打磨。使用西門子PLCS7–1200作為設備的控制中心就可以降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。PLC控制的基礎是PROFINET的第七軸，運用工業(yè)機器人能同時在多個工位運作，完成生產(chǎn)時的上下料操作和對產(chǎn)品進行打磨。

1 機器人的控制系統(tǒng)的工作原理

機器人采用空間開連接結(jié)構(gòu)的原理，使各個關節(jié)可以進行獨立的運動，可以隨需求實現(xiàn)末端的運動軌跡，多關節(jié)要進行協(xié)調(diào)工作。因此，機器人的控制系統(tǒng)比普通的系統(tǒng)復雜許多，它包含了很多特點。

（1）機器人的控制與結(jié)構(gòu)運動學關系很密切，手爪的狀態(tài)可以運用坐標來進行描述，根據(jù)需要選擇不同的坐標系作為參考并進行信息交換。

（2）通常要對系統(tǒng)的正問題和逆問題進行求解，需要考慮的因素有：慣性力、外力、重力和向心力等帶來的影響。

（3）3到5個自由度的屬于簡單的機器人，復雜的機器人自由度都有十幾個或者幾十個，每個自由度都包含一個伺服機構(gòu)，多個伺服系統(tǒng)結(jié)合起來協(xié)調(diào)操作就組成了一個多變量的控制系統(tǒng)。

（4）多個單獨的伺服系統(tǒng)進行有機的協(xié)調(diào)，按照生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)需求進行操作，使機器人的控制系統(tǒng)更加智能化，計算機系統(tǒng)也應用到了機器人的控制系統(tǒng)之中，機器人的控制系統(tǒng)也就是一個大數(shù)據(jù)的計算系統(tǒng)。

（5）描述機器人的運動和狀態(tài)的數(shù)字模型是一個非線性模型，會隨著外力和狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，其參數(shù)也會隨之變化，還存在各個變量之間的耦合作用。

（6）機器人可以運用不同的方式和途徑來進行運動，在進行優(yōu)化的過程中，可以采用人工智能針對高級的機器人，來構(gòu)建其龐大的信息庫，通過大數(shù)據(jù)的信息庫來進行管理、操作、決策及控制。機器人的控制系統(tǒng)著重操作對象和本體的互換，根據(jù)生產(chǎn)線的實際需要，進行運動學和動力學緊密相關非線性的多變量控制。

2 PLC控制系統(tǒng)

機器人普遍采用PLC作為工作系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與當今的微機控制系統(tǒng)和繼電控制系統(tǒng)相比有容易掌握、編程簡單、系統(tǒng)設計量較小、抗干擾能力強和容易改錯、故障率和消耗率低等很多的優(yōu)勢。由于這么多的優(yōu)點，PLC系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)外的自動生產(chǎn)線廣泛使用。

2.1 PLC系統(tǒng)的輸入元件配置

開關方式的選擇主要考慮工作的配置方式，主要是選擇手動的功能方式、單周以及單擊的工作方式去選擇開關，在多工位下料的生產(chǎn)過程中通過PLC系統(tǒng)來進行控制。在全機半自動的情況下，PLC系統(tǒng)可以對多個工位進行控制，運用預開按鈕對多個生產(chǎn)線的系統(tǒng)相應地做預開操作，緊急停止的按鈕主要做應急處理，必要的情況下進行緊急停止，并在緊急停止后做好退后處理。熱繼電器的主要任務是控制自動生成線的控制系統(tǒng)，壓力繼電器可以對多工位進行系統(tǒng)的控制。

2.2 PLC系統(tǒng)的輸出元件配置

為了對每個控制系統(tǒng)的動力頭主軸的電機進行控制，就需要配置相關的接觸器，用來對指示元件進行檢查，它有直接顯示每一個電動機運行情況的功能，配置電磁轉(zhuǎn)向閥線圈元件，可以更好地控制其控制系統(tǒng)中的每一個單機做運動的控制，還要配置相對應的指示燈，指示燈可以及時顯示系統(tǒng)控制的運行進程，在出現(xiàn)故障問題時利用信號進行指示和預警，顯示出現(xiàn)故障的位置和原因，方便進行人工的調(diào)整。

2.3 PLC控制系統(tǒng)的軟件設計

在多工位自動化生產(chǎn)的過程中，PLC控制線軟件的功能是通過全自動、半自動或者公用以及單機半自動等相關方面的內(nèi)容進行實際的控制。公用程序是普遍工作的方法下進行多工位的自動生成線開始啟動的最重要的信息和信息操作預備的工作，同時進行程序的轉(zhuǎn)換和發(fā)生故障后及時報警并進行緊急停止的重要根據(jù)。

對于生產(chǎn)線采用半自動程序來說，在無人工參與操作時多工位進行自動化的生產(chǎn)線進行連續(xù)的成批量的工具進行自動的加工，同時進行的也是軟件當中最重要的內(nèi)容，全機的半自動程序可以同時進行多個工位的生產(chǎn)隊一個工件進行多個方面要求的加工，并在其完成加工后自行停止，因此全機的半自動化程序普遍采用PLC控制系統(tǒng)和多工位自動生產(chǎn)線通過檢查修理和組裝完成進行投產(chǎn)之前對系統(tǒng)進行試運行，也可以在操作人員的交接班時進行產(chǎn)品的單件試機檢查。

單件如果采用半自動程序來控制，普遍的情況是運用PLC系統(tǒng)對多工位生產(chǎn)線流程中的單機進行相應的半自動化控制，對多工位自動生產(chǎn)線進行安裝或者維修后技術人員對生產(chǎn)線進行單機的調(diào)試和檢查的情況下就會啟用半自動化來進行控制。單機手動的程序經(jīng)常是用來調(diào)整和檢測多工位生產(chǎn)線當中的每個單機每一步運行內(nèi)容的。

3 加工節(jié)拍分析

每個不同的零件都有自己的加工節(jié)拍，鑄造是加工的第一步，然后對其進行熱處理，利用輸送線將零件傳送到加工的生產(chǎn)線上，在CNC上對零件進行數(shù)控加工，最后一步是機器人對零件完成表面的打磨處理。機器人在輸送線上取材料機床對產(chǎn)品進行加工、機床開關門、機器人打磨和上下材料都是生產(chǎn)零件最主要的工業(yè)流程內(nèi)容。通過對實際加工的時間進行計算，這個零件在CNC上的操作時間大約184 s，完成打磨的工位大約需要21 s，機器人對機床的上下料加上打磨時間大約需要58 s，這樣說來，1臺機器人可以同時完成3臺CNC加工的需要。

4 多工位生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設計

4.1 生產(chǎn)線布局

生產(chǎn)線由3臺加工中心、1套打磨設備、來料輸送線、工業(yè)機器人第七軸、1臺工業(yè)機器人、下料輸送線和防護安全欄等幾部分組成。生產(chǎn)場地和生產(chǎn)節(jié)拍和其他多方面都要進行綜合考慮，可以用一張圖來演示，如圖1所示。

4.2 設備選型及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中如果采用了ABB的IRB–2600七軸機器人，其參數(shù)是臂展1.65 m，腕部負載20 kg，加上IRC5控制柜。機器人為了提高效率還采用了雙工位夾取工具，上料和取料可以同時進行。還選取VMC650L型號的數(shù)控機床，工業(yè)機器人第七軸和打磨工位都采用自檢測，還把以太網(wǎng)的數(shù)字技術連接到設備上，運用PROFINET總線進行數(shù)據(jù)傳遞。

4.3 工業(yè)機器人第七軸

在生產(chǎn)線中給設備配備工業(yè)機器第七軸是為了使機器人的工作范圍增大，各個工位的上下料交由機器人來完成。工業(yè)機器人第七軸有比較特殊的工作原理，它主要由機器人控制伺服電機的轉(zhuǎn)動，以此來帶動滾珠絲杠移動的方式來帶動齒輪的運動。在精度很高的場合，就可以選擇高精度的滾珠絲杠和運用機器人第七軸的技術。第七軸在生產(chǎn)線中的應用配備了高精度的齒輪和齒輪齒條，使運行的精度有很大的提升，可以達到零件加工的參數(shù)要求。

采用了PROFINET總線通信的第七軸，可以有效減少機器人和主控PLC的擴展模塊，伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)通過總線數(shù)據(jù)及時準確地傳輸給上位機，給生產(chǎn)線的后期維護、改造和擴展帶來便利。這個生產(chǎn)線主控PLC采用了西門子的S7–1200，伺服選用了西門子V90PN品牌的套裝，伺服和PLC都支持PROFINET總線的運作。通過添加支持PROFINET的DSQC688板卡來實現(xiàn)ABB機器人的應用。機器人通過PROFINET總線將需要到達的位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC上，PLC將計算后的方向信號、速度信號和定位所需的脈沖信號等數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器進行定位并將移動的位置數(shù)據(jù)、到位信號等反饋給PLC，PLC將這些信號同時反饋給工業(yè)機器人，形成了一個環(huán)環(huán)相扣的有效流程。

4.4 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人在生產(chǎn)線的主要任務是完成毛坯零件的取料、機床上下料的操作，打磨工位的上料和下料的操作、對零件進行打磨和完成零件的下料工作。工業(yè)機器人代替人工完成了零件的運輸和打磨工作，大大提高了生產(chǎn)的效率和人工的消耗。生產(chǎn)線中的機器人安裝了快換頭，快換頭的公頭安裝在機器人法蘭瑞上面。母頭分別安裝在打磨頭和夾具上。快換頭保證了夾具壓縮空氣應用的需要，也確保了夾具的信號回傳時打磨頭電力供應的需要。機器人采用的是9組信號通道和6組氣流通道的快換頭，大大提高了機器人的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

完成回零點的工業(yè)機器人能通過輸送線上的傳感器準確感知輸送線是否有材料，如果有就會自動取料后分別給3臺CNC依次自動上料，還能準確地收到CNC完成加工后給出的取料請求信號，機器人會自動取出機床上的零件運用夾具完成雙工位上料的任務，接下來機器人完成加工的零件被夾具放到打磨工位后，更換相應的工具對其進行打磨的操作。打磨完成后將完成的零件放到下料的輸送線上。

5 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)零件的多工位生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，構(gòu)建一個完整的智能生產(chǎn)線，包括工業(yè)機器人、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)控加工中心、打磨工位和第七軸，需要經(jīng)過調(diào)試和試生產(chǎn)，使這個系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下進行大批量的零件生產(chǎn)，可以達到生產(chǎn)質(zhì)量和效率的目標，在實際生產(chǎn)中反響非常好。采用總線技術和PLC系統(tǒng)相結(jié)合，采用了二者的優(yōu)點，極大地節(jié)約了成本，使生產(chǎn)線更加簡化，生產(chǎn)線的建設更加經(jīng)濟。生產(chǎn)線搭建完成后，產(chǎn)出和質(zhì)量都得到了顯著的提升。生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益得到了大力的提升，為我國的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)做出了貢獻。

參考文獻

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