韓天勇，陳滿意，劉 波，朱自文，劉賢舉

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，湖北 武漢 430070)

目前，工業(yè)機(jī)器人與制造業(yè)的聯(lián)系愈發(fā)緊密，在生產(chǎn)作業(yè)中，相較于傳統(tǒng)的人力加工，機(jī)器人動(dòng)作具有可重復(fù)性、加工效率高以及精度高的優(yōu)點(diǎn)，此外，工業(yè)機(jī)器人可替代工人去完成高難度的工作，從而降低生產(chǎn)成本。因此，在焊接、搬運(yùn)、醫(yī)療保健以及在實(shí)訓(xùn)教學(xué)等場(chǎng)合工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用[1]。

在鋼材生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人能自動(dòng)適應(yīng)捆緊圓形鋼材以及長(zhǎng)方形鋼，并自主完成對(duì)鋼材的捆扎，替代工人完成對(duì)鋼材的打捆包裝，極大地提高了打捆效率和包裝質(zhì)量[2]；工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域主要完成焊接任務(wù)，該機(jī)器人一般由焊接小車、焊炬微調(diào)機(jī)構(gòu)、焊縫跟蹤傳感器、控制器和焊接電源等幾部分組成。通過與傳感器配合使用，工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)整車焊接，這有利于提高焊接精度[3]；在液晶平板搬運(yùn)、立直，產(chǎn)品裝箱、碼垛等機(jī)器人應(yīng)用上較為廣泛通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃、結(jié)合視覺導(dǎo)航使加工單元進(jìn)行避障，以及融合力反饋技術(shù)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)物品搬運(yùn)；此外，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，工業(yè)機(jī)器人結(jié)合不同設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)[4]。

工業(yè)機(jī)器人替代人工生產(chǎn)是未來制造業(yè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，也是未來實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的保障[5-6]。

工業(yè)機(jī)器人可與不同設(shè)備結(jié)合構(gòu)建生產(chǎn)加工單元，使整個(gè)加工單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全天候不間斷地進(jìn)行生產(chǎn)加工，在保障生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)能夠提高生成效率，以及進(jìn)行多種產(chǎn)品生產(chǎn)。通過對(duì)工業(yè)機(jī)器人離線編程，它會(huì)根據(jù)程序設(shè)定的動(dòng)作和軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成生產(chǎn)要求[7-8]。為機(jī)器人配備不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)其與外界環(huán)境交流，使其適應(yīng)不同的工作場(chǎng)合及生產(chǎn)要求，有利于發(fā)揮其高效率和高精度特性。

筆者通過將工業(yè)機(jī)器人與車銑復(fù)合加工中心聯(lián)合，構(gòu)建生產(chǎn)加工單元進(jìn)行加工作業(yè)，來驗(yàn)證工業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境下工作的可靠性與穩(wěn)定性，以達(dá)到生產(chǎn)與教學(xué)的目的。

1 加工單元搭建及功能實(shí)現(xiàn)

1.1 加工單元組成

整個(gè)加工單元是由中控柜、機(jī)器人控制柜多功能工作臺(tái)、氣泵、工業(yè)機(jī)器人及車銑復(fù)合加工中心組成，如圖1所示。中控柜作為整個(gè)加工單元的“大腦”，通過工業(yè)以太網(wǎng)或Proinet通信方式與各設(shè)備進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)與物料投放工作站、機(jī)器人和加工中心之間的信息交流[9-10]。

圖1 加工單元組成

1.2 工業(yè)機(jī)器人與車銑復(fù)合加工單元的連接

機(jī)器人是整個(gè)加工單元的核心設(shè)備，它主要實(shí)現(xiàn)上下料，要使機(jī)器人與各設(shè)備協(xié)同作業(yè)，首先需保證其能與PLC(programmable logic controller)間的正常通信。機(jī)器人通過Proinet通信與PLC進(jìn)行信息交流。機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在收到PLC發(fā)送的相關(guān)指令，完成夾持裝置的安裝，物料的搬運(yùn)等功能。

雙方通信的步驟如下：

(1)設(shè)置硬件環(huán)境。在PLC端集成有Proinet通信口，在機(jī)器人端擴(kuò)展相應(yīng)的Proinet通信板。

(2)設(shè)備連接。通過網(wǎng)線將兩個(gè)設(shè)備直接相連。即把PLC和機(jī)器人控制柜之間通過網(wǎng)線直接連通。

(3)參數(shù)設(shè)置。在PLC端，安裝機(jī)器人所需的Proinet文件，并在組態(tài)窗口將機(jī)器人連接到Proinet網(wǎng)絡(luò)上。分別設(shè)置好兩者的IP地址，如將PLC端IP設(shè)置為192.168.01，機(jī)器人端IP設(shè)置為192.168.02。在完成設(shè)備的組態(tài)后，中控柜便獲得了通信的I/O地址，機(jī)器人控制柜設(shè)置好其IP地址，192.168.02。

(4)通信測(cè)試。在上述步驟完成后，PLC與機(jī)器人通信連接完畢，根據(jù)工作要求，PLC與機(jī)器人之間通過Proinet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互，即PLC給機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人反饋信息給PLC。通過編寫PLC端與機(jī)器人端相應(yīng)的程序，便可測(cè)試通信是否成功。待通信正常后，工業(yè)機(jī)器人便可協(xié)同加工中心、多功能工作臺(tái)等進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)。

1.3 加工單元功能分析

PLC通過Proinet通信與各設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互。物料工作站有不同的投料口，可以投送不同的物料，機(jī)器人從物料工作站運(yùn)送物料至加工中心，加工中心完成對(duì)毛坯的車銑加工，最后再由機(jī)器人取出并將加工好的工件放在指定位置。加工單元功能如圖2所示。

圖2 加工單元功能

(1)功能選擇。PLC是設(shè)備的控制核心，其控制加工中心、多功能工作臺(tái)、機(jī)器人等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。通過外部自動(dòng)運(yùn)行接口便可用上級(jí)控制系統(tǒng)來控制機(jī)器人的進(jìn)程，該系統(tǒng)向機(jī)器人控制柜發(fā)出機(jī)器人進(jìn)程的相關(guān)信號(hào) (運(yùn)行許可、故障確認(rèn)、程序啟動(dòng)等)。此外，機(jī)器人控制柜可向上級(jí)控制加工系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息。

(2)物料投放。工作臺(tái)上有多個(gè)料倉，料倉的控制器收到中控柜發(fā)送的指令，就會(huì)選擇相應(yīng)的料口進(jìn)行物料投遞。物料經(jīng)傳送帶運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢煤?，傳送帶上的光電傳感器檢測(cè)到物料，就將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給中控柜，再由中控柜發(fā)送指令給機(jī)器人，此時(shí)，機(jī)器人就會(huì)帶動(dòng)夾持裝置準(zhǔn)備夾持毛坯。

(3)物料搬運(yùn)。夾持裝置通過氣泵供氣，安裝在機(jī)器人末端，其內(nèi)部有壓力傳感器。機(jī)器人收到中控柜發(fā)送的指令后，將會(huì)移動(dòng)夾持裝置夾取物料，夾持裝置內(nèi)部的壓力傳感器在檢測(cè)到其與毛坯的接觸壓力后，通過建立通信，壓力傳感器會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給中控柜，再由中控柜控制夾持裝置的氣閥打開，并驅(qū)動(dòng)夾持裝置夾緊毛坯，機(jī)器人將物料送入加工中心，隨后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至設(shè)定好的原點(diǎn)等待物料搬運(yùn)。

(4)車銑復(fù)合加工。操作人員提前完成對(duì)加工中心編程，加工中心儲(chǔ)存編寫好的程序，通過安裝各種特殊刀具，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件不同的車削和銑削要求。在機(jī)器人將毛坯送入加工中心卡盤后，機(jī)器人回到設(shè)定好的原點(diǎn)，中控柜發(fā)送指令給加工中心，加工中心利用車削功能完成對(duì)工件形狀的加工，銑削功能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件型面加工及雕刻等功能。

1.4 工業(yè)機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)

編程可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的可控性及動(dòng)作的重復(fù)性，編程過程主要是控制機(jī)器人的位置、動(dòng)作、速度及加速度等參數(shù)。以庫卡機(jī)器人為例，其使用的是庫卡機(jī)器人編程語言(KRL- KUKA robot language)，常見的編程方式如下：

(1)在線編程。利用機(jī)器人的示教器，可通過示教的方式實(shí)現(xiàn)。在示教器上選定該方式簡(jiǎn)單方便、實(shí)時(shí)性好，但當(dāng)代碼量較多時(shí)，編程過程較為繁瑣。

(2)離線編程。使用機(jī)器人的編程軟件在PC(personal computer)端進(jìn)行編程。 該方法雖然編程效率高，也可以在線適配調(diào)整已運(yùn)行的程序，但操作靈活性不及在線編程。

根據(jù)機(jī)器人不同的運(yùn)動(dòng)方式可選擇相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)編程。常見的運(yùn)動(dòng)方式有“點(diǎn)到點(diǎn)”、“軌跡逼近”、“直線”和“圓弧”，筆者選擇機(jī)器人編程軟件離線編程，并使用以上運(yùn)動(dòng)方式來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。部分參數(shù)說明如表1所示。

圖3 機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)圖

表1 部分參數(shù)說明

1.5 PLC功能的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的控制都圍繞著PLC，通過工業(yè)以太網(wǎng)或Proinet通信實(shí)現(xiàn)PLC與各設(shè)備的信號(hào)傳遞，實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程I/O站、機(jī)器人的信號(hào)交互以及控制。此外，根據(jù)建立的通信， PLC可以實(shí)時(shí)接收不同設(shè)備及傳感器的反饋信號(hào)，整個(gè)加工單元中各設(shè)備經(jīng)PLC控制實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，這有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工自主化和高效化。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該加工單元的合理性，筆者進(jìn)行象棋加工試驗(yàn)。其中，生產(chǎn)加工單元布局如圖4所示，在該加工單元中，PLC首先給多功能工作臺(tái)發(fā)送指令并選擇合適的料倉進(jìn)行投料，傳送帶將毛坯運(yùn)送至指定位置，紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)并反饋給PLC，隨后機(jī)器人收到指令安裝夾持裝置并準(zhǔn)備將毛坯送入加工中心，夾持裝置的力傳感器檢測(cè)到力信號(hào)后將其反饋給PLC，隨后氣泵供氣，加工中心倉門打開，毛坯被送入加工中心，待毛坯正面刻字完成后，機(jī)器人將其取出并放置在翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)，此時(shí)，半成品被翻轉(zhuǎn)，再次將其送入加工中心進(jìn)行反面刻字，機(jī)器人將加工完畢的象棋放置在棋盤上的指定位置，最后放下夾持裝置，機(jī)器人返回原點(diǎn)，象棋加工完成。

圖4 加工單元布局圖

選用非洲紅花梨木作為毛坯，對(duì)其進(jìn)行正反面刻字，時(shí)長(zhǎng)大約20 min，加工好的成品如圖5所示。與傳統(tǒng)加工方式相比，在車銑復(fù)合加工單元中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，能有效提高毛坯在加工中心的安裝精度和效率，使得加工后的象棋精度更高，更美觀。

圖5 加工好的象棋成品

3 結(jié)論

(1)通過搭建機(jī)器人與車銑復(fù)合加工中心結(jié)合的加工單元完成象棋加工，該試驗(yàn)有效證明了工業(yè)機(jī)器人與不同設(shè)備聯(lián)合作業(yè)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，該單元不僅實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備間的協(xié)同工作，更重要的是提高了工件的加工精度及生產(chǎn)效率。

(2)該加工單元的成功搭建，為中小型企業(yè)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人提供了經(jīng)驗(yàn)方法，有利于中小型企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本。

(3)該加工單元已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人與車銑復(fù)合加工中心的聯(lián)合作業(yè)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)機(jī)器人及各種加工設(shè)備相關(guān)知識(shí)的理解，同時(shí)也為學(xué)生提供了操作平臺(tái)，這對(duì)于機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)提供了有效支持。