韓飛燕

摘要：對于現(xiàn)代化工業(yè)成本與時間的高要求，材料加工柔性需要而言，工業(yè)機器人具備其自身獨特優(yōu)勢，即高成效、低成本、柔性較好等，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械加工自動化設(shè)備。一直以來，與數(shù)控加工中心等加工設(shè)備對比來講，工業(yè)機器人在機械加工領(lǐng)域的應用越來越廣泛，且能夠滿足小批量、對品種、現(xiàn)場加工的現(xiàn)代化生產(chǎn)需要，可適應多種復雜加工要求。據(jù)此，本文主要基于機器人進行了機械加工控制系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：機器人;機械加工;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TQ320.67+1文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0190-03

1 機器人在機械加工中有效應用

1.1動態(tài)性能參數(shù)

工業(yè)機器人在實際應用中會受到機械結(jié)構(gòu)的影響，包括慣性矩、剛度、阻尼比、固有頻率等。在設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)時應注意減小轉(zhuǎn)動慣量，提高剛度性能指標，否則機器人的位姿精度和系統(tǒng)的固有頻率將有所下降，導致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。對于比較復雜的裝配工作，可適當增加機器人臂桿的靈敏度和調(diào)節(jié)剛度系數(shù)，設(shè)計以實際的零部件加工裝配環(huán)境為依據(jù)優(yōu)化機器人的動態(tài)性能參數(shù)，設(shè)計機器人的合理結(jié)構(gòu)。

1.2離線編程

機器人屬于可編程機械裝置，系統(tǒng)的執(zhí)行靈敏度和智能化主要是取決于機器人編程能力。在機械加工過程中，應用范圍不斷擴大，工作復雜程度也逐漸增大，能夠直接替代數(shù)控機床加工復雜曲面等等。其中，示教變成流程太過繁雜，效率也比較低，根本無法完成復雜路徑合理規(guī)劃，但是離線編程不需要基于機器人自身及控制系統(tǒng)參與其中，可以對不同工件加工信息編程外部程序。而計算機相關(guān)軟件，使得機器人的圖像處理能力和計算能力編程不斷優(yōu)化。

1.3軌跡規(guī)劃

在機械加工時，機器人需要進行多元化運動軌跡，以此確保與生產(chǎn)流程相符。機器人生成運動軌跡與零部件的加工精確度與形狀等等密切相關(guān)，為獲得良好加工效率與質(zhì)量，必須深度探索機器人的軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃的精度反映機器人在同一方向多次隨指令運動的接近程度。計算分析軌跡過程，依賴精密裝置的合理控制，機器人的實際軌跡精度得到有效提高。

1.4加工精度與誤差補償

所謂加工精度不只是進行機械加工系統(tǒng)性能衡量的標準，還是工件加工質(zhì)量的主要影響因素。而有效提升機器人機械加工精確度，與整個機器人加工系統(tǒng)應用密切相關(guān)。加工精確度改善與誤差補償機制能夠顯著提升加工效率與質(zhì)量，大大降低產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期與成本，進而提高機械加工技術(shù)水平。

2 基于機器人的機械加工控制系統(tǒng)

基于機器人的機械加工控制系統(tǒng)主要包含機器人、CNC數(shù)控機床、物料輸送設(shè)備、轉(zhuǎn)料臺、機器人移動導軌、PLC控制系統(tǒng)及氣動系統(tǒng)等。西門子$7-200PLC和氣動控制組成了整個系統(tǒng)的控制部分，通過西門子PLC的對系統(tǒng)的各個模塊進行開關(guān)量控制，而氣動系統(tǒng)通過壓縮空氣，以電磁換向閥為載體進行氣動執(zhí)行機構(gòu)的往復運動。

2.1氣動控制回路

氣動系統(tǒng)包含空壓機、后冷卻器、氣罐、三聯(lián)件、主路過濾器、控制閥、調(diào)速閥和執(zhí)行件等，其中空壓機、儲氣罐、冷卻器等為氣源處理裝置，要求壓力一般控制在0.65-0.8MPa。在系統(tǒng)中，機器人的抓手模塊為內(nèi)部楔形結(jié)構(gòu)的SMC三爪氣動手指，該氣缸是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)最常用的氣動夾爪，具有生產(chǎn)效率高和工作可靠等特點。SMC三爪氣動手指氣缸換向閥選用三位五通電磁閥，氣缸中限位開關(guān)選擇磁性開關(guān)，用來控制和檢測極限位置，利用反饋系統(tǒng)信息調(diào)整氣缸的伸縮量。在氣體經(jīng)過氣源處理裝置處理后，流經(jīng)氣動三聯(lián)組件，進入氣動軟管中，此時利用西門子$7-200控制氣動部分的電磁換向閥，從而進行氣缸運動控制。在進氣口的位置安裝單向節(jié)流閥，主要作用是對氣缸行進速度進行控制，并且節(jié)流閥能夠讓系統(tǒng)保持穩(wěn)定工作，防止在啟動時活塞突然快進導致的撞擊事故。

2.2PLC電氣控制回路

2.2.1西門子S7-200PLC控制系統(tǒng)

基于機器人的機械加工控制系統(tǒng)以西門子$7-200PLC為核心控制，配合編碼器、人機界面（觸摸屏）等協(xié)同工作。機器人在CNC機床相應的動作主要是基于觸摸屏人機交換和編碼器連接PLC和伺服電機來完成。系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

2.2.2PLC控制器

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成框架詳細分析控制模塊，包括PLC的硬件配置、輸入輸出（UO）接口以及系統(tǒng)內(nèi)存存儲量等，選擇西門子$7-200系列PLC中CPU226主機，最大可擴展為248點數(shù)字量。

2.2.3人機界面GOT

人機界面GOT即觸摸屏，是作為PLC控制系統(tǒng)的圖形操作終端。人機界面在工作時必須與控制器進行聯(lián)機操作的通訊協(xié)議，該通訊協(xié)議能夠使PLC進行正確的識別并執(zhí)行命令解釋。使用時，計算機的組態(tài)軟件對$7-200內(nèi)部元器件的連接地址進行組態(tài)，以USB232串口線下載到觸摸屏上，從而實現(xiàn)了人機界面和PLC之間的信號連接動作。

2.3控制系統(tǒng)軟件

2.3.1PLC軟件程序設(shè)計

西門子S7-200PLC進行自動控制運行是基于人機界面按鈕啟動后，系統(tǒng)根據(jù)機器人指令進行數(shù)控設(shè)備的上下料裝配，其中包括機器人的送取料、CNC數(shù)控機床門開關(guān)控制、機器人清倉和加料以及氣動控制等。PLC梯形圖程序在設(shè)計時還應考慮急停情況，拍下急停按鈕后機器人立即停止搬運工作，只有當系統(tǒng)進行復位后，機器人和CNC數(shù)控機床急停解除，手動恢復至初始狀態(tài)，進行下一輪循環(huán)操作。PLC梯形圖程序設(shè)計順序功能圖具體如圖2所示。

2.3.2GO了軟件設(shè)計

基于機器人的機械加工控制系統(tǒng)整個流程和實際生產(chǎn)操作要求作為主要依據(jù)，對GOT操作界面進行畫面設(shè)計，包括通訊驅(qū)動程序的選擇、歡迎界面的設(shè)計、操作界面的建立、動作開關(guān)的設(shè)計、PLC與GOT聯(lián)機通訊下載以及調(diào)試運行等各個軟件模塊的優(yōu)化設(shè)計。

3 基于機器人的機械加工發(fā)展趨勢

基于智能與傳感技術(shù)有效結(jié)合，工業(yè)機器人在機械加工領(lǐng)域的應用不斷增大，加工的復雜程度不斷提高。其中，應用領(lǐng)域逐漸擴大，類型不斷增加，主要體現(xiàn)為工作環(huán)境的擴展，而性能多元化與智能化則體現(xiàn)為性能水平提升。

第一代工業(yè)機器人：示教再現(xiàn)型機器人，主要由示教盒和機械手操作控制器兩部分組成，示教再現(xiàn)型機器人可重復再現(xiàn)示教編程存儲器中的作業(yè)程序，憑記憶進行反復操作，這類機器人在點位控制和不精確路徑場合的使用可一定程度上節(jié)約成本。然而，由于其自身缺少感知外界環(huán)境的傳感器，對于復雜環(huán)境下的工作無法從事示教工作，難以勝任移動多變的工作環(huán)境。

第二代機器人是視覺反饋信息的工業(yè)機器人，該類機器人基于傳感技術(shù)發(fā)展的具有一定的力覺、觸覺、視覺等外部感覺的機器人，能對不規(guī)則的外界環(huán)境變化進行識別判斷并進行反饋調(diào)節(jié)，及時地處理相關(guān)問題并修正運動軌跡。第二代具有視覺反饋，可完成安裝裝配、焊接等復雜任務。

第三代機器人是智能機器人，具有更多人的功能，與第二代機器人相比具有語言邏輯判斷功能，處于復雜的或不可預知的環(huán)境下，機器人可根據(jù)指令或感知自行判斷和決策動作。智能機器人的工作是基于任務驅(qū)動的理解而獲得行動方式，并能計算決策出最佳的處理方案，該類機器人目前處于實驗室研究階段，由于技術(shù)原因，機器人難以脫離人的干預而完整地發(fā)揮自主功能，因此需要在不斷努力完善得機器人的功能，構(gòu)建人機交互的智能機器人控制系統(tǒng)。IQ。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)機器人的發(fā)展與傳感技術(shù)、數(shù)控機床加工精度、PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化息息相關(guān)，我國機器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應用擴大也是得利于這些技術(shù)的快速穩(wěn)定發(fā)展。機器人因自身獨特優(yōu)勢，即成本較低，自動控制和智能化水平較高，柔性性能較好等，可實現(xiàn)機械零部件加工及裝配等工作，作為先進制造的典型代表，基于機器人的機械加工在未來勢必會發(fā)展成主要趨勢。科技不斷發(fā)展進步促使基于工業(yè)機器人的數(shù)控加工精度會不斷提高。