韓宇，嚴(yán)成武，郭付龍，楊波

基于FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人工作站的智能工具庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓宇，嚴(yán)成武，郭付龍，楊波

（深圳技師學(xué)院 中德智造學(xué)院，廣東 深圳 518000）

以FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人工作站為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套工業(yè)機(jī)器人用智能工具庫(kù)系統(tǒng)。介紹了該智能工具庫(kù)系統(tǒng)的總體方案與工作原理，其機(jī)械裝置設(shè)計(jì)主要包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與末端執(zhí)行器（工具）定位，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)。完成了整個(gè)智能工具庫(kù)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。該智能工具庫(kù)系統(tǒng)能夠在PLC的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)工位并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。為工業(yè)機(jī)器人準(zhǔn)備好放置工具的位置，將工業(yè)機(jī)器人需要的末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)至更換位，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并完成末端執(zhí)行器的智能化快速更換，提升整個(gè)工作站的工作效率。

FANUC；工業(yè)機(jī)器人；智能工具庫(kù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合越來越廣泛，以工業(yè)機(jī)器人為主要設(shè)備的工作站應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)機(jī)器人工作站中往往包含了多種工序，由于工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（即工具）的互換性較差，因此工業(yè)機(jī)器人在完成不同工序時(shí)，通常需要更換不同的末端執(zhí)行器，為此，每個(gè)工作站上需要準(zhǔn)備多套末端執(zhí)行器。工業(yè)機(jī)器人每完成一道工序，則需要更換下一道工序所用的末端執(zhí)行器。為實(shí)現(xiàn)快速更換末端執(zhí)行的目的，通常采用在工業(yè)機(jī)器人末端軸與末端執(zhí)行器之間安裝氣動(dòng)快換機(jī)構(gòu)的方法。工業(yè)機(jī)器人工作站中，末端執(zhí)行器為分散放置，不僅占用工作站的有限空間，而且在編寫工業(yè)機(jī)器人工作程序時(shí)，每一個(gè)末端執(zhí)行器都需要示教至少兩個(gè)點(diǎn)位，大大增加了程序編寫的難度和程序的長(zhǎng)度，并導(dǎo)致后期工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)需要更多的時(shí)間來完成末端執(zhí)行器的更換，降低了工作站的生產(chǎn)效率。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一套工業(yè)機(jī)器人用智能工具庫(kù)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)的研究較少，常見工具庫(kù)只有簡(jiǎn)單的放置功能，不具備智能化更換的作用。崔華飛等[1-2]采用Arduino開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出基于視覺的Sawyer機(jī)器人的智能化快換工具庫(kù)，但該快換工具庫(kù)造價(jià)昂貴，不利于大范圍推廣。為此，本文設(shè)計(jì)一套以PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）為控制單元的智能工具庫(kù)系統(tǒng)，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)以FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人工作站為基礎(chǔ)，由工業(yè)機(jī)器人本體、工作站外圍設(shè)備、I/O模塊、PLC、步進(jìn)電機(jī)、智能工具庫(kù)機(jī)械裝置、傳感器等組成?？傮w方案如圖1所示。

在該工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)中，工業(yè)機(jī)器人通過I/O模塊與控制單元PLC交換信息，PLC根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的指令控制智能工具庫(kù)機(jī)械裝置自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化更換末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)意圖。

圖1 工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)總體方案

1.2 系統(tǒng)工作原理

該工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)、電器及自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、傳感器技術(shù)等[3-6]。其工作流程如圖2所示。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行程序，發(fā)出放置或抓取末端執(zhí)行器指令時(shí)，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通過I/O模塊對(duì)外發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，智能工具庫(kù)系統(tǒng)控制單元PLC收到請(qǐng)求信號(hào)后，運(yùn)行梯形圖程序，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。智能工具庫(kù)機(jī)械裝置在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，當(dāng)PLC收到回零傳感器信號(hào)后，機(jī)械裝置停止旋轉(zhuǎn)，完成智能工具庫(kù)回零動(dòng)作。接著，PLC依據(jù)收到的請(qǐng)求信號(hào)（不同的工具放置位對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)），驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)智能工具庫(kù)機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)至所需的工具放置位/抓取位。PLC輸出工具放置位/抓取位到位信號(hào)，工業(yè)機(jī)器人收到到位信號(hào)后運(yùn)行程序，運(yùn)動(dòng)到智能工具庫(kù)機(jī)械裝置工具放置位/抓取位上方，對(duì)準(zhǔn)其所需工位，通過氣動(dòng)快換裝置放置或抓取工具，完成放置/抓取末端執(zhí)行器工作。

圖2 工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)工作流程

上述工作流程中，工業(yè)機(jī)器人只需示教定位兩個(gè)較為準(zhǔn)確的工作點(diǎn)位，即取放置/抓取末端執(zhí)行器和等待放置/抓取末端執(zhí)行器兩個(gè)精準(zhǔn)點(diǎn)位，大大簡(jiǎn)化示教編程的難度，有效減少程序的長(zhǎng)度，同時(shí)提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率。

2 智能工具庫(kù)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

智能工具庫(kù)機(jī)械裝置是整個(gè)智能工具庫(kù)系統(tǒng)的重要硬件組成，是放置工業(yè)機(jī)器人工具的硬件平臺(tái)。按照整個(gè)工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)的功能要求，智能工具庫(kù)機(jī)械裝置應(yīng)具備旋轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)定位功能，能夠放置若干個(gè)工業(yè)機(jī)器人工具。

2.1 智能工具庫(kù)機(jī)械裝置總體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)機(jī)械裝置上有6個(gè)工具放置位，呈360°均勻分布，可以同時(shí)放置6個(gè)不同種類的末端執(zhí)行器（工具）。智能工具庫(kù)機(jī)械裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、電機(jī)固定箱體、推力軸承、掛裝板等組成。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器通過定位銷和定位面放置在掛裝板上，以使各個(gè)工位旋轉(zhuǎn)到位后氣動(dòng)快換法蘭盤的重復(fù)定位精度滿足更換要求。

圖3 智能工具庫(kù)系統(tǒng)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)機(jī)械裝置采用SolidWorks 2019軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)裝置傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用步進(jìn)電機(jī)加精密行星減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)智能工具庫(kù)旋轉(zhuǎn)部分組件旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)不同工具位的旋轉(zhuǎn)換位[7]。使用的精密行星減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)均為臺(tái)灣峰樺科技有限公司生產(chǎn)。其中，精密行星減速機(jī)結(jié)構(gòu)為二級(jí)傳遞，減速比16，傳動(dòng)效率94%；步進(jìn)電機(jī)為ABCH280-4C60S型號(hào)的二相開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，額定扭矩4.5 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1800 g·cm2。

2.2 末端執(zhí)行器（工具）定位

智能工具庫(kù)系統(tǒng)工作時(shí)，由于工業(yè)機(jī)器人抓取或放置末端執(zhí)行器的位置是固定的，而智能工具庫(kù)有6個(gè)工位，為保證智能工具庫(kù)系統(tǒng)每個(gè)工位都能精準(zhǔn)對(duì)接工業(yè)機(jī)器人放置或抓取末端執(zhí)行器示教點(diǎn)，需要對(duì)智能工具庫(kù)系統(tǒng)中工具放置位進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

智能工具庫(kù)系統(tǒng)中，采用PLC、步進(jìn)電機(jī)、精密減速機(jī)、傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)周向定位[8-9]。當(dāng)智能工具庫(kù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，PLC收到傳感器的到位信號(hào)后，迅速控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停止，從而實(shí)現(xiàn)周向定位。

為保證智能工具庫(kù)系統(tǒng)能夠正常工作，除了周向定位，還需保證末端執(zhí)行器在每個(gè)工位中的精準(zhǔn)定位。如圖4所示，工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（工具）的定位面分為定位A面、定位B面、定位C面。在智能工具庫(kù)機(jī)械裝置中，每個(gè)工位的掛裝板上都裝配有兩個(gè)圓柱定位銷，并在掛裝板上設(shè)計(jì)有U型定位面。工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（工具）的定位A面與掛裝板的U型定位面配合，兩個(gè)圓柱定位銷分別與工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（工具）的定位B面和C面配合定位，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（工具）在每個(gè)工位中的精準(zhǔn)定位。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通訊

智能工具庫(kù)系統(tǒng)基于FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人工作站，采用SIMATIC S7-1200 PLC為控制單元，通過工業(yè)機(jī)器人與PLC組態(tài)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與控制單元之間的通訊[10-11]。

工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人和智能工具庫(kù)通過通訊電纜連接，其中靠近工業(yè)機(jī)器人端的信號(hào)線連接在I/O接線板上，靠近智能工具庫(kù)端的連接在SIMATIC S7-1200 PLC的輸入/輸出端子排上。

FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人與SIMATIC S7-1200 PLC I/O配置通訊協(xié)議如表1所示。

表1 工業(yè)機(jī)器人與PLC I/O配置通訊協(xié)議表

表1中，工業(yè)機(jī)器人抓取/放置的請(qǐng)求信號(hào)為機(jī)器人對(duì)外輸出信號(hào)，1～6號(hào)工位的輸出信號(hào)分別對(duì)應(yīng)DO103～DO108，這6個(gè)信號(hào)與控制單元SIMATIC S7-1200 PLC的輸入信號(hào)I1.0～I(xiàn)1.6對(duì)應(yīng)；刀庫(kù)回零到位信號(hào)DI102和刀庫(kù)準(zhǔn)備就緒信號(hào)DI101為FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人輸入等待信號(hào)，分別與控制單元SIMATIC S7-1200 PLC的輸出信號(hào)Q1.0和Q1.1對(duì)應(yīng)。

圖5 智能工具庫(kù)系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序是整個(gè)工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵要素。工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)程序主要包括控制單元PLC的梯形圖程序和工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行抓取或放置工具的程序[12-13]，二者之間通過約定的信號(hào)地址實(shí)現(xiàn)信息交互，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能庫(kù)系統(tǒng)的智能化工作。

工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)放置工具時(shí)，控制單元PLC的梯形圖程序架構(gòu)邏輯關(guān)系流程圖如圖6所示?？刂茊卧狿LC收到工業(yè)機(jī)器人放置工具指令后，控制智能工具庫(kù)機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)至工具放置位，并輸出到位信號(hào)給工業(yè)機(jī)器人[14-16]，工業(yè)機(jī)器人收到到位信號(hào)后運(yùn)行自身程序，完成放置工具動(dòng)作。

FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人請(qǐng)求抓取智能工具庫(kù)6號(hào)工位工具程序?yàn)椋?/p>

1:J @PR[1:HOME] 100% FINE; 機(jī)器人回HOME點(diǎn)；

2: DO[102:OFF] =ON ; 機(jī)器人對(duì)外輸出信號(hào)102打開；

3: WAIT 2.0(sec); 等待2秒鐘；

4: DO[102:OFF] =OFF ; 機(jī)器人對(duì)外輸出信號(hào)102關(guān)閉；

5: WAIT 8.00(sec); 等待8秒鐘；

6: DO[108:OFF] =ON ; 機(jī)器人對(duì)外輸出信號(hào)108打開；

7: WAIT 2.0(sec); 等待2秒鐘；

8: DO[108:OFF] =OFF ; 機(jī)器人對(duì)外輸出信號(hào)108關(guān)閉；

9:J @PR[1:HOME] 100% FINE; 機(jī)器人回HOME點(diǎn)；

10: J P[1] 100% FINE; 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)；

… …

37: J P[3] 15% FINE; 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到P3點(diǎn)；

38: J P[2] 100% FINE; 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到P2點(diǎn)；

39: J @PR[1:HOME] 100% FINE; 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到HOME點(diǎn)；

[End] 結(jié)束；

圖6 智能工具庫(kù)放置工具程序流程圖

4 結(jié)論

為解決工業(yè)機(jī)器人工作站多種末端執(zhí)行器分散放置造成使用不便的痛點(diǎn)，構(gòu)建出一種能夠?qū)崿F(xiàn)智能化快速更換末端執(zhí)行器的方法，并依據(jù)該方法，設(shè)計(jì)并搭建基于FANUC Mate 200iD工業(yè)機(jī)器人工作站的智能工具庫(kù)系統(tǒng)。本項(xiàng)目以PLC為控制單元，通過I/O模塊與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互，控制智能工具庫(kù)機(jī)械裝置精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人快速智能化更換末端執(zhí)行器。

該工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性價(jià)比突出，適合融入工業(yè)機(jī)器人工作站及其應(yīng)用產(chǎn)線中。

[1]崔華飛. 基于Sawyer機(jī)器人的智能化快換工具庫(kù)研究[D]. 煙臺(tái)大學(xué)，2021.

[2]白蕾，張小潔，侯偉. 基于工業(yè)機(jī)器人的智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2018（3）：69-72.

[3]侯志剛，張?jiān)坪?，胡斌，? 協(xié)作機(jī)器人抓握式柔性?shī)A持器設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代制造工程，2021（5）：47-52.

[4]候帥. 多自由度機(jī)器人搬運(yùn)平臺(tái)調(diào)平控制系統(tǒng)研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017.

[5]袁培江，陳冬冬，王田苗，等. 基于雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)的孔位補(bǔ)償研究[J]. 航空制造技術(shù)，2018，61（4）：41-46.

[6]張偉豪. 基于機(jī)器視覺的氣門無序擺放抓取系統(tǒng)的研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2021.

[7]王亞龍. 基于SVM標(biāo)定算法的氣門視覺抓取系統(tǒng)研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2020.

[8]劉坤. 基于PLC的開放式工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2022.

[9]胡艷琳. 基于PLC控制的物料檢測(cè)分類放置工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2020.

[10]劉彬. 基于PLC的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D]. 唐山：華北理工大學(xué)，2020.

[11]何東明. 基于機(jī)器人和PLC的玻璃磨邊自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 宜昌：三峽大學(xué)，2020.

[12]黃信兵，劉小娟，李春貴. 基于Profinet的切削加工單元智能化改造設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 機(jī)床與液壓，2022，50（10）：124-128.

[13]孟靜靜，郝睿，王惠卿，等. 基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)生產(chǎn)線智能包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2021（11）：63-67.

[14]周文婷，孟凡文，王海亮. 基于MODBUS-TCP協(xié)議的視覺系統(tǒng)、PLC與工業(yè)機(jī)器人通信設(shè)計(jì)[J]. 電子世界，2020（21）：132-133，137.

[15]韓宇，何善印，鄭泳洋，等. 一種工業(yè)機(jī)器人的智能工具庫(kù)系統(tǒng)：CN115284334A[P]. 2022-11-04.

[16]王哲祿. 基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的拋光打磨工作站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2019，41（7）：103-105，147.

Design of Intelligent Tool Library System Based on FANUC Mate 200iD Industrial Robot Workstation

HAN Yu，YAN Chengwu，GUO Fulong，YANG Bo

(Sino-German College of Intelligent Manufacturing, Shenzhen Institute of Technology, Shenzhen 518000, China )

Based on the FANUC Mate 200iD industrial robot workstation, this paper studies and develops an intelligent tool library system for industrial robots. The overall scheme and working principle of the intelligent tool library system were introduced. The mechanical device design mainly includes the overall structure design and end effector (tool) positioning, while the control system design includes system communication design and program design. The installation and debugging of the entire intelligent tool library system has been completed. The system can rotate the station and achieve accurate positioning under the control of PLC, prepare the position for the industrial robot to place tools, and rotate the required end actuator to the replacement position. Industrial robots move and complete the intelligent and rapid replacement of the end actuator, and the working efficiency of the entire work station has been improved.

FANUC；industrial robot；intelligent tool library

TP242.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.013

1006-0316 (2023) 10-0075-06

2023-02-13

深圳技師學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目——工業(yè)機(jī)器人智能工具庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)研究（2211016）

韓宇（1985－），男，河南南陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等，E-mail：925060536@qq.com。