工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究

工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究

0引言

21世纪以来，机器人已经成为现代工业中不可缺少的重要工具。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可从某种角度折射出一个国家的科技水平和综合国力。自从上世纪60年代第一台工业机器人问世以来，机器人的种类已经从最初的操作手逐渐衍生出各类机器人，并且深入到人类生活的方方面面。

其中在柔性制造系统方面，机械手自动上下料装置是机器人技术应用的一个重要方面，随着机床的高速高精度发展趋势，机床加工中自动上下料技术将具有更广阔的发展前景。研究机械手上下料系统的控制时序，设计合理的控制程序，巧妙设计机器人末端执行器(手抓)结构，很好地实现数控机床与机器人的通讯功能，有效地组合工业机器人上下料技术及数控车床加工技术于一体，最终实现快速的高精度上下料功能等有着广泛的实用意义。

本文采用工业机器人自动上下料技术，研究数控车床上加工综合零件的过程。分析加工件的工艺特点，编制合理的CNC加工程序，规划合理的机器人运动轨迹，设计机器人末端执行器，把工业机器人上下料技术及数控车床加工技术有机地组合起来，安川机器人维修，实现模块化自动上下料柔性制造单元，达到集成化、高精度、高效率的效果。

1GSK机器人和数控车床的工作单元

1.1GSK机器人功能

GSK机器人是一种基于工业标准开发、设计的关节臂式机器人，其外形及各关节位置示意如1所示，2是GSK机器人的等价几何模型。机器人在直角坐标系下运动的X、Y、Z方向，如3所示。

GSK机器人为用户提供了一个全开放、可扩展的机器人控制系统开发平台。针对不同的应用研究和开发项目，用户可以方便地向控制系统中添加视觉传感器、力传感器以及红外等各种扩展传感器，或者添加各种末端工具来扩展机器人的功能，并将这些扩展功能与机器人控制系统进行无逢集成，ABB机器人维修，从而实现机器人二次开发功能。现研究通过添加末端工具实现在数控车床上自动上下料。

1.2980T数控系统车床

980T数控系统车床是一种半闭环式的数控车床，可完成各种回转面工件的加工，采用由广州数控设备有限公司生产的980T数控系统，可适应手工或自动编程自动加工方式，是一种编程格式简单、界面友好，操作方便的数控机床。其外形如4所示。现研究GSK工业机器人上下料技术及980T数控系统车床加工技术的组合应用。

4980T数控系统车床外形

2数控机床及机器人上下料协调工作流程

要保证机器人在数控车床加工时准确无误及时地上下料，须考虑以下几个问题:

(1)分析数控车床加工工件的车削工艺流程;

(2)设计合适的机器人末端工具(手抓);

(3)规划机器人上下料的运动轨迹、设计流程及编制运动程序;

(4)实现数控车床与机器人的通讯。

3组合应用实例

3.1综合工件数控车削工艺分析

如5所示工件，生产纲领为大批量生产，材料中碳钢。这是一个综合工件，内容包含了内外螺纹、内孔、外圆柱面、外圆锥面及端面等。在数控车床上加工，需要进行两次装夹。现将工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用，以自动上下料的方式加工此工件，提高加工效率。

5加工件零件

3.2扩展GSK工业机器人功能

3.2.1加工设备布置

设备布局两种方式比较:①单台机器人服务单台数控车床;②单台机器人服务双台数控车床。考虑设备布局紧凑性好，选用第1种情况。则数控机床－机器人加工系统布局与工作过程示意如6所示。

6自动上下料工作过程示意

3.2.2机器人末端工具设计

根据工件的外形特点，设计机器人末端工具(手抓)部件，包含气动、传感器及机械部件等。如下7所示。

7手抓部件

此夹具的特点是，底板和机器人的端部连接，两套气缸分别控制两手爪，气缸上安装传感器，安川机器人维修，检测手爪的松开和夹紧到位情况。两手爪分别用于夹取毛坯和半成器或半成品和成品。

操作时间短，效率高。相应的气动原理如8所示。

8手抓气动原理示意

3.2.3机器人与车床通讯设计

为了更好的协调机器人与数控车床的工作，要建立机器人和机床之间安全可靠的通讯机制。采用快速I/O的通讯模式。在硬件方面，通过屏蔽信号电缆将两者之间的PLC处理器中相应的输入与输出点进行连接，屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。软件方面，通过GSK机器人专用应用软件，根据采集机床和机器人当前状态，编写相应的符合上下料逻辑的控制程序，最终达到数控机床与机器人的有效通讯，从而实现模块化自动上下料柔性制造系统单元安全高效运行。GSK机器人输入及输出信号对照关系如表1所示。

其中机器人工装IO接线如9所示。

9机器人工装IO接线

3.2.4机器人上下料运动轨迹规划

分析综合零件的车削特点，对机器人上下料运动轨迹进行规划，包涵三部分内容。(1)运动轨迹规划，先对机器人上下料手抓运动路线进行设计，如10示意所示。

(2)逻辑流程框设计，根据手抓运动路线设计逻辑流程框，如11所示。

12组合应用工艺流程

11机器人上下料逻辑流程

(3)机器人上下料程序编制。

根据运行轨迹示意及机器人上下料逻辑流程，编制相对应的机器上下料控制程序如下:

L01;

MOVJP001，V010，Z0;//零点位置

//初始化

L02;

SETOUT21OFF;

SETOUT23OFF;

SETOUT40OFF;

SETOUT41OFF;

SETOUT24OFF;

SETOUT26OFF;

SETOUT16OFF;

SETOUT18OFF;

L03;

//抓料(手爪1)

SETOUT23ON;//手爪1松开

SETOUT21OFF;

WAITIN26==ON;//等待松爪到位

MOVJP002，V010，Z0;

MOVLP003，V010，Z0;

SETOUT23OFF;//手爪1抓紧

SETOUT21ON;

WAITIN24==ON;//等待抓紧到位

DELAYT003．0;

MOVLP002V010Z0;

MOVJP001V010Z0;

//下料(半成品，用手爪2)

SETOUT41ON;//手抓2松开

SETOUT40OFF;

WAITIN41==ON;//等待松爪到位

WAITIN16==ON;等待机床准备完成

SETOUT26ON;//打开安全门

SETOUT24OFF;

MOVJP004V010Z0;

WAITIN20==ON;等待开门到位

MOVJP005V010Z0;

MOVJP006V010Z0;

MOVLP007V010Z0;

SETOUT41OFF;//手爪2抓紧

SETOUT40ON;

WAITIN40==ON;//等待抓紧到位

DELAYT003．0;

WAITIN29==ON;

//确保此时卡盘是卡紧的

SETOUT18ON;

WAITIN31==ON;//卡盘松开

SETOUT18OFF;

MOVLP006V010Z0;

MOVJP005V010Z0;

MOVJP008V010Z0;

//手爪换位//上料(手爪1)

MOVJP009V010Z0;

MOVLP010V010Z0;

SETOUT18ON;

WAITIN29==ON;

//卡盘卡紧

SETOUT18OFF;

MOVLP009V010Z0;

MOVLP011V010Z0;

MOVLP012V010Z0;

SETOUT24ON;

//安全门关闭并启动车床

SETOUT26OFF;

WAITIN22==ON;

SETOUT16ON;

DELAYT001．0;

SETOUT16OFF;

//放料(手爪2)

MOVJP013V010Z0;

MOVLP014V010Z0;

SETOUT41ON;

//手爪2松开

SETOUT40OFF;

WAITIN41==ON;

//等待松爪到位

MOVLP013V010Z0;

MOVJP001V010Z0;

//回零点

GOTOL02;

4结束语