羅劍

[摘? ? 要]文章基于生產(chǎn)節(jié)奏和加工工藝的需求，設(shè)計(jì)一條智能的生產(chǎn)線，這條生產(chǎn)線包括3臺(tái)數(shù)控加工中心、ABB 工業(yè) 機(jī)器人、運(yùn)送材料的輸送線，還包括一些打磨的工位，機(jī)加工的打磨和上下料都由機(jī)器人來完成。從生產(chǎn)的角度出發(fā)，對(duì)生產(chǎn)控制系統(tǒng)和機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析，解析了工業(yè)自動(dòng)化在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人;第七軸;PLC控制系統(tǒng);伺服

[中圖分類號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(jī)器人的范圍比較小，實(shí)際生產(chǎn)的需要就很難得到滿足。利用給機(jī)器人增加第七軸的智能方式可以增大工業(yè)機(jī)器人的工作范疇，機(jī)器人的生產(chǎn)廠家會(huì)加裝第七軸。下面分析經(jīng)過總線為機(jī)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(duì)零件進(jìn)行熱加工的處理，然后機(jī)加工再對(duì)其表面打磨。使用西門子PLCS7–1200作為設(shè)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(chǔ)是PROFINET的第七軸，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人能同時(shí)在多個(gè)工位運(yùn)作，完成生產(chǎn)時(shí)的上下料操作和對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行打磨。

1 機(jī)器人的控制系統(tǒng)的工作原理

機(jī)器人采用空間開連接結(jié)構(gòu)的原理，使各個(gè)關(guān)節(jié)可以進(jìn)行獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，可以隨需求實(shí)現(xiàn)末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，多關(guān)節(jié)要進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。因此，機(jī)器人的控制系統(tǒng)比普通的系統(tǒng)復(fù)雜許多，它包含了很多特點(diǎn)。

（1）機(jī)器人的控制與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系很密切，手爪的狀態(tài)可以運(yùn)用坐標(biāo)來進(jìn)行描述，根據(jù)需要選擇不同的坐標(biāo)系作為參考并進(jìn)行信息交換。

（2）通常要對(duì)系統(tǒng)的正問題和逆問題進(jìn)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(gè)自由度的屬于簡(jiǎn)單的機(jī)器人，復(fù)雜的機(jī)器人自由度都有十幾個(gè)或者幾十個(gè)，每個(gè)自由度都包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多個(gè)伺服系統(tǒng)結(jié)合起來協(xié)調(diào)操作就組成了一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)。

（4）多個(gè)單獨(dú)的伺服系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的協(xié)調(diào)，按照生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)需求進(jìn)行操作，使機(jī)器人的控制系統(tǒng)更加智能化，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也應(yīng)用到了機(jī)器人的控制系統(tǒng)之中，機(jī)器人的控制系統(tǒng)也就是一個(gè)大數(shù)據(jù)的計(jì)算系統(tǒng)。

（5）描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)的數(shù)字模型是一個(gè)非線性模型，會(huì)隨著外力和狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，其參數(shù)也會(huì)隨之變化，還存在各個(gè)變量之間的耦合作用。

（6）機(jī)器人可以運(yùn)用不同的方式和途徑來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行優(yōu)化的過程中，可以采用人工智能針對(duì)高級(jí)的機(jī)器人，來構(gòu)建其龐大的信息庫(kù)，通過大數(shù)據(jù)的信息庫(kù)來進(jìn)行管理、操作、決策及控制。機(jī)器人的控制系統(tǒng)著重操作對(duì)象和本體的互換，根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際需要，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān)非線性的多變量控制。

2 PLC控制系統(tǒng)

機(jī)器人普遍采用PLC作為工作系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)與當(dāng)今的微機(jī)控制系統(tǒng)和繼電控制系統(tǒng)相比有容易掌握、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)設(shè)計(jì)量較小、抗干擾能力強(qiáng)和容易改錯(cuò)、故障率和消耗率低等很多的優(yōu)勢(shì)。由于這么多的優(yōu)點(diǎn)，PLC系統(tǒng)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)生產(chǎn)線廣泛使用。

2.1 PLC系統(tǒng)的輸入元件配置

開關(guān)方式的選擇主要考慮工作的配置方式，主要是選擇手動(dòng)的功能方式、單周以及單擊的工作方式去選擇開關(guān)，在多工位下料的生產(chǎn)過程中通過PLC系統(tǒng)來進(jìn)行控制。在全機(jī)半自動(dòng)的情況下，PLC系統(tǒng)可以對(duì)多個(gè)工位進(jìn)行控制，運(yùn)用預(yù)開按鈕對(duì)多個(gè)生產(chǎn)線的系統(tǒng)相應(yīng)地做預(yù)開操作，緊急停止的按鈕主要做應(yīng)急處理，必要的情況下進(jìn)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(wù)是控制自動(dòng)生成線的控制系統(tǒng)，壓力繼電器可以對(duì)多工位進(jìn)行系統(tǒng)的控制。

2.2 PLC系統(tǒng)的輸出元件配置

為了對(duì)每個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)力頭主軸的電機(jī)進(jìn)行控制，就需要配置相關(guān)的接觸器，用來對(duì)指示元件進(jìn)行檢查，它有直接顯示每一個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(gè)單機(jī)做運(yùn)動(dòng)的控制，還要配置相對(duì)應(yīng)的指示燈，指示燈可以及時(shí)顯示系統(tǒng)控制的運(yùn)行進(jìn)程，在出現(xiàn)故障問題時(shí)利用信號(hào)進(jìn)行指示和預(yù)警，顯示出現(xiàn)故障的位置和原因，方便進(jìn)行人工的調(diào)整。

2.3 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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

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

單件如果采用半自動(dòng)程序來控制，普遍的情況是運(yùn)用PLC系統(tǒng)對(duì)多工位生產(chǎn)線流程中的單機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的半自動(dòng)化控制，對(duì)多工位自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行安裝或者維修后技術(shù)人員對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行單機(jī)的調(diào)試和檢查的情況下就會(huì)啟用半自動(dòng)化來進(jìn)行控制。單機(jī)手動(dòng)的程序經(jīng)常是用來調(diào)整和檢測(cè)多工位生產(chǎn)線當(dāng)中的每個(gè)單機(jī)每一步運(yùn)行內(nèi)容的。

3 加工節(jié)拍分析

每個(gè)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(duì)其進(jìn)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(duì)零件進(jìn)行數(shù)控加工，最后一步是機(jī)器人對(duì)零件完成表面的打磨處理。機(jī)器人在輸送線上取材料機(jī)床對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工、機(jī)床開關(guān)門、機(jī)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(duì)實(shí)際加工的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)零件在CNC上的操作時(shí)間大約184 s，完成打磨的工位大約需要21 s，機(jī)器人對(duì)機(jī)床的上下料加上打磨時(shí)間大約需要58 s，這樣說來，1臺(tái)機(jī)器人可以同時(shí)完成3臺(tái)CNC加工的需要。

4 多工位生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 生產(chǎn)線布局

生產(chǎn)線由3臺(tái)加工中心、1套打磨設(shè)備、來料輸送線、工業(yè)機(jī)器人第七軸、1臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、下料輸送線和防護(hù)安全欄等幾部分組成。生產(chǎn)場(chǎng)地和生產(chǎn)節(jié)拍和其他多方面都要進(jìn)行綜合考慮，可以用一張圖來演示，如圖1所示。

4.2 設(shè)備選型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)中如果采用了ABB的IRB–2600七軸機(jī)器人，其參數(shù)是臂展1.65 m，腕部負(fù)載20 kg，加上IRC5控制柜。機(jī)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(shí)進(jìn)行。還選取VMC650L型號(hào)的數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人第七軸和打磨工位都采用自檢測(cè)，還把以太網(wǎng)的數(shù)字技術(shù)連接到設(shè)備上，運(yùn)用PROFINET總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

4.3 工業(yè)機(jī)器人第七軸

在生產(chǎn)線中給設(shè)備配備工業(yè)機(jī)器第七軸是為了使機(jī)器人的工作范圍增大，各個(gè)工位的上下料交由機(jī)器人來完成。工業(yè)機(jī)器人第七軸有比較特殊的工作原理，它主要由機(jī)器人控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來帶動(dòng)滾珠絲杠移動(dòng)的方式來帶動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)。在精度很高的場(chǎng)合，就可以選擇高精度的滾珠絲杠和運(yùn)用機(jī)器人第七軸的技術(shù)。第七軸在生產(chǎn)線中的應(yīng)用配備了高精度的齒輪和齒輪齒條，使運(yùn)行的精度有很大的提升，可以達(dá)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(jī)器人和主控PLC的擴(kuò)展模塊，伺服驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)通過總線數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸給上位機(jī)，給生產(chǎn)線的后期維護(hù)、改造和擴(kuò)展帶來便利。這個(gè)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(yùn)作。通過添加支持PROFINET的DSQC688板卡來實(shí)現(xiàn)ABB機(jī)器人的應(yīng)用。機(jī)器人通過PROFINET總線將需要到達(dá)的位置數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC上，PLC將計(jì)算后的方向信號(hào)、速度信號(hào)和定位所需的脈沖信號(hào)等數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行定位并將移動(dòng)的位置數(shù)據(jù)、到位信號(hào)等反饋給PLC，PLC將這些信號(hào)同時(shí)反饋給工業(yè)機(jī)器人，形成了一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的有效流程。

4.4 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線的主要任務(wù)是完成毛坯零件的取料、機(jī)床上下料的操作，打磨工位的上料和下料的操作、對(duì)零件進(jìn)行打磨和完成零件的下料工作。工業(yè)機(jī)器人代替人工完成了零件的運(yùn)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(jī)器人安裝了快換頭，快換頭的公頭安裝在機(jī)器人法蘭瑞上面。母頭分別安裝在打磨頭和夾具上?？鞊Q頭保證了夾具壓縮空氣應(yīng)用的需要，也確保了夾具的信號(hào)回傳時(shí)打磨頭電力供應(yīng)的需要。機(jī)器人采用的是9組信號(hào)通道和6組氣流通道的快換頭，大大提高了機(jī)器人的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

完成回零點(diǎn)的工業(yè)機(jī)器人能通過輸送線上的傳感器準(zhǔn)確感知輸送線是否有材料，如果有就會(huì)自動(dòng)取料后分別給3臺(tái)CNC依次自動(dòng)上料，還能準(zhǔn)確地收到CNC完成加工后給出的取料請(qǐng)求信號(hào)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)取出機(jī)床上的零件運(yùn)用夾具完成雙工位上料的任務(wù)，接下來機(jī)器人完成加工的零件被夾具放到打磨工位后，更換相應(yīng)的工具對(duì)其進(jìn)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(yǔ)

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(gè)完整的智能生產(chǎn)線，包括工業(yè)機(jī)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(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下進(jìn)行大批量的零件生產(chǎn)，可以達(dá)到生產(chǎn)質(zhì)量和效率的目標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)中反響非常好。采用總線技術(shù)和PLC系統(tǒng)相結(jié)合，采用了二者的優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)約了成本，使生產(chǎn)線更加簡(jiǎn)化，生產(chǎn)線的建設(shè)更加經(jīng)濟(jì)。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(jì)效益得到了大力的提升，為我國(guó)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

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