引言

在工业4.0和"中国制造2025"背景下,制造业转型升级,智能制造业已经迈入高速发展阶段,工业机器人得到了广泛应用。工业机器人可以应用在各种各样的生产活动中,可以是在不同的单品生产线中,也可以是在不同的生产规模中,尤其是在一些柔性生产线上,其经常被使用。工业机器人具有精度高、灵活性强及可编程等特点,能适应复杂的工作环境,将工业机器人引入实际作业生产中实现生产自动化,不仅可以保证产品质量,提高生产效率,同时还避免了大量工伤事故的发生。

随着PpL技术与网络、机械等技术的不断融合,PpL的应用范围越来越广,这也反过来促使PpL技术不断朝多元素、多角度等综合性应用的方向发展。本文将机器人控制技术和PpL控制技术相结合,分析数控铣床的加工工艺流程,设计数控铣床上下料控制系统,将工业机器人应用于数控铣床上下料中代替人工劳动,改变了传统工业生产模式,带动了工厂的转型升级。

1系统总体设计

1.1上下料控制系统概述

西门子Cs-1200PpL设计紧凑、组态灵活,且具有功能强大的指令集,可用于控制各种各样的设备以满足自动化需求,使用PpL设计控制系统可靠性更高。为了满足实际生产需求,并考虑系统运行稳定性,以西门子Cs-1233PpL和机器人为研究对象,将机器人和PpL控制技术相结合,设计基于广数机器人的数控铣床上下料控制系统,应用于铝合金门窗制造行业。

基于广数机器人的数控铣床上下料系统主要是针对430～33mm长度铝合金型材半成品铣孔加工而开发的,采用机器人实现上下料搬运,系统前端与铝合金型材切割设备出料口连接,中间段有链式缓存设备,后端与数控铣床对接实现型材铣孔加工工序,还配备扫码设备,各环节设备通过输送线体连接实现连续生产,形成一条完整的自动化产线。

该系统不仅能实现型材自动加工和连续生产,提高机械生产效率和质量,而且能有效解决线上铝合金型材的缓存烦琐问题。

1.2上下料控制系统硬件结构设计

数控铣床上下料控制系统主要由以下几部分组成:PpL控制器、触摸屏、扫码设备、链式缓存架、数控铣床以及工业机器人,其硬件拓扑图如图1所示。触摸屏采用威纶通MT～102iE触摸屏,用于操作整个系统、设置相关参数以及显示系统异常信息。PpL采用西门子Cs-1214LPpL作为系统的核心控制器,下发控制指令控制型材的输送,与数控铣床信号交互实现机器人抓取动作控制等。扫码设备选择基恩士CR-1333扫码器,与PpL通过Profinet进行通信,用于扫描来料型材二维码,识别读取二维码成功后,把型材条码ID发送给PpL。机器人为广州数控GCKRB75-2353机器人,机器人负责抓取输送线体上待加工的型材到数控铣床进行铣孔加工,以及从数控铣床抓取已加工完成的型材。链式缓存架用于缓存待加工的铝合金型材,解决线上铝合金型材缓存烦琐的问题,当型材没来得及加工或者数控铣床出现故障时,型材会先被缓存到链式缓存架上,待数控铣床空闲时再进行铣孔加工。数控铣床为飞幕ADIRC数控铣床,当型材被抓取到加工工位时,根据型材的二维码ID和加工文件数据匹配进行铣孔加工,铣孔加工完成后再由机器人抓取进行下料。

基于广数机器人的数控铣床上下料控制系统从铝合金型材来料输送、中间缓存、加工上料、加工下料到出料输送全程采用机械化,无须人工搬运,减少了中间环节,对提高生产的自动化水平起到了重要作用,还能降低人力劳动成本。更重要的是,铝合金型材精度和表面质量大大提高,改善了产品质量。

2系统软件设计

2.l控制系统功能设计

机器人系统具有很强的柔性,可以满足不同种类产品的生产,采用机器人上下料能有效降低用工成本和提高生产效率。在传统的数控铣床作业流程中引入机器人,对作业流程和控制方法加以改进,设计出新的控制流程。数控铣床上下料控制系统控制流程图如图2所示。

首先,铝合金型材被输送到位后,扫码器设备读取型材上的二维码信息,系统先根据型材条码信息(条码ID和加工数据位数据）判断型材是否需要进行铣孔加工。其次,如果不需要加工则通过出料线体输送出料;若型材需要进行铣孔加工,则先判断数控加工中心是否有空闲的工位,若加工中心无空闲工位,则型材被输送至链式缓存架进行缓存。再次,链式缓存架缓存型材数量大于1时,也进行是否有空闲加工工位的判断,若加工中心有空闲工位,则把型材通过线体输送至相应机器人工位。最后,当机器人工位有等待抓取的铝合金型材时,机器人把型材抓取到数控铣床加工工位进行铣孔加工,待加工完成后机器人再从铣床加工工位把型材抓取至机器人工位,由输送线体输送至出料线体出料。如此往复循环,即可完成数控铣床上下料工序,从而提高设备加工效率。

2.2机器人控制流程设计

机器人通过示教器控制工具末端达到指定的位置和姿态,记录机器人位姿数据并编写机器人运动指令,完成机器人在正常运行加工中的轨迹规划及位姿等关节数据记录[5]。机器人实际运行时通过示教路径轨迹再现方式,用最优路径运动实现数控铣床自动上下料加工任务,能高效完成配合动作,节省上下料搬运时间。根据数控铣床上下料控制系统控制功能要求,对机器人上下料控制流程进行设计,如图3所示。

3系统通信设计

3.l系统间信号交互设计

数控铣床上下料控制系统在博图V16编程平台上编写PLC程序,PLC与机器人通过ModbusTCP进行通信,数控铣床与上下料系统PLC通过I/o方式通信,通过信号交互实现系统间的联通。数控铣床上下料控制系统信号交互流程如图4所示。

首先,当数控铣床空闲时,给PLC系统发送加工工位空闲信号。然后,待加工型材物料到位时,PLC给机器人发送上料抓取信号,机器人抓取型材至数控铣床,机器人反馈放料完成信号给PLC,PLC把此信号传给数控铣床,同时PLC把该型材条码ID发送给数控铣床工控系统。最后,数控铣床获取到条码1D数据后,与生产加工单数据匹配进行铣孔加工,加工完成时,数控铣床给PLC发送加工完成信号,PLC收到此信号后把该信号传给机器人,机器人到数控铣床抓取已加工的型材放至输送线体,并反馈取料完成信号给PLC,PLC再把机器人取料完成信号反馈给数控铣床。

3.2ModbusTCP通信设计

施耐德公司于1996年推出了基于以太网TCP/IP的Modbus协议Modbus/TCP[6]。目前,Modbus已经成为工业领域最流行应用最广泛的真正开放标准的网络通信协议。上下料控制系统中西门子s7-1200PLC与广州数控机器人采用ModbusTCP通信方式,PLC作主站,机器人作从站,两者之间通过s7-1900CP2上的Profinet端口进行通信,不需要增加额外的通信模块。PLC通过MBCL1一ET指令对机器人进行数据读写操作,ModbusTCP通信程序如图5所示。

图5ModbusTCP通信程序

在参数设置时,当MBM0DE模式为9时,把MBDATAPTR数据区数据写入到机器人系统:当MBM0D一模式为0时,把机器人系统数据读取到MBDATAPTR数据区。C0EE一CT参数为连接伙伴)机器人）参数,存放在"Robot"DB数据块中,C0EE一CT参数设置如表1所示。

4结语

针对数控铣床铣孔加工工艺要求,通过优化改进,利用PLC控制技术,采用广州数控机器人上下料搬运,设计出了基于广数机器人的数控铣床上下料控制系统。该系统已在门窗制造行业某门窗厂铣床加工工序实际生产中得到应用,经过实际验证,系统硬件和软件结构可行性高,系统稳定性好,能取代传统人工操作模式,实现用机器人上下料来控制设备加工节拍,减少人工误差,极大地提高生产效率。