斜床身数控车床机器人自动上下料改造

唐兴贵

（昆明工业职业技术学院，云南安宁 650302）

斜床身数控车床机器人自动上下料改造

唐兴贵

（昆明工业职业技术学院，云南安宁 650302）

为提高数控车削加工的切削效率和加工精度，对CK4536斜床身数控车床进行机器人自动上下料改造。对HR20-1700-C10机器人及CK4536数控车床的特点进行了分析。针对实际的数控加工，设计机器人自动上下料机构，机器人与数控车床电气线路分析改造，规划机器人运行轨迹。该改造能使机器人于数控车床相互配合，实现零件加工过程中的自动上下料。

工业机器人；自动上下料；CK4536数控车床；电气控制改造

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.23

0 前言

随着市场产品要求的多元化、个性化及高质量，生成企业人工成本增加、生产效率要求更高效，工业机器人作为智能制造中重要装备，已成为中国工业自动化技术与应用的生力军。当前在制造业向“智造业”转型发展的大潮中，机器人是升级工厂、使之实现自动化和先进技术的核心，以机器人替代生产线工人势在必行，也将有助于消除劳动力缺乏带来的一系列问题。

1 HR20-1700-C10机器人和数控车床工作单元

1.1 HR20-1700-C10机器人

HR20-1700-C10机器人是江苏汇博机器人有限公司基于埃夫特ER20-C10的基础上开发的关节臂式机器人（图1），其末端最大负载为20 kg，最大臂展为1700型，控制系统为C10。机器人工作空间的工作空间为：J1 轴±180°，J2 轴+65°～-145°，J3 轴+175°～-65°，J4 轴±180°，J5 轴±135°，J6 轴±360°，最大运动半径1722mm。HR20-1700-C10机器人系统中设定了关节坐标系、世界坐标系和工具坐标系等3种坐标系。首次进入手动界面默认是关节坐标系，可对坐标系进行切换。机器人机械系统是指机械本体组成，机械本体由底座部分、大臂、小臂部分、手腕部件和本体管线部分组成，6个伺服电机驱动6个关节的运动来实现机器人不同的运动形式。只有机器人装备了末端工具，并且连接到数控车床，组成一个系统以后，机器人才能实现自动上下料。

1.2 CK4536斜床身数控车床

图1 HR20-1700-C10机器人外观

CK4536斜床身数控车床是一种半闭环式的数控车床，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工轴、盘类零件的高效自动化车床，数控车床能实现X和Z联动控制，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，还具有各种加工固定循环、加工过程图形显示、人机话、故障自动诊断、离线编程、和计算机联机进行计算机辅助制造，能进行复杂表面的加工。数控车床配备多工位刀塔，具有广泛的加工艺性能，可实现轴类、盘类零件外内孔、端面、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂件加工，适用于批量加工。现结合HR20-1700-C10工业机器人进行自动上下料的实际改造应用。

2 数控车床及机器人自动上下料工作流程

机器人在数控车床加工时准确、及时地上下料，必须要克服以下困难：①加工工件在数控车床上的车削工艺流程；②合适的末端手爪；③规划、编制运动程序；④机器人与数控车床联动控制。

3 组合应用实例

3.1 综合工件数控车削工艺分析

工件材料铝合金，包含内外螺纹、内孔、外圆柱面、外圆锥面及端面等（图2）。在数控车床上完成加工时，需要进行两次装夹。现以数控车床加工技术为基础，结合工业机器人上下料技术的应用，以自动上下料的方式加工该工件，提高加工效率。

3.2 HR20-1700-C10工业机器人扩展功能

3.2.1 加工设备布置

图2 加工零件

考虑实训室设备布局紧凑性，机器人与数控车床采用一对一的安装较为合适。设备布局与工作过程示意如图3所示。

3.2.2 机器人末端工具设计

根据工件的外形结构及毛坯形状特点，设计机器人末端执行器（手爪），该执行器由气缸、传感器及机械部件等构成（图4）。其特点为底座和机器人的端部连接，底座安装气缸控制手爪松开、夹紧，安装磁性开关检测手爪的松开和夹紧到位状态。手爪分别用于夹取毛坯、半成品或成品。

图3 自动上下料工作过程示意

图4 手爪部件

3.2.3 机器人与车床电气线路连接

从硬件和软件两方面改造机器人和机床之间的控制，使之更好的协调机器人与数控车床的工作。硬件方面，机床采用华数集成PLC控制、机器人PLC为KeMotion系统控制，通过屏蔽电缆将两控制系统间对应的输入与输出点进行连接。为实现机器人机床自动上下料系统安全高效运行，软件方面在机床控制程序中增加机器人启动、结束、安全门开关等信号控制，在机器人控制系统中通过屏蔽电缆，采集机床工作状态、安全门控制状态等信号，编写机器人自动上下料的PLC控制程序，最终达到机床与机器人I/O有效通信。HR20-1700-C10机器人输入及数控机床输出信号对照关系如表1所示。机器人和数控机床工装I/O接线见图5，机床控制程序修改见图6。

3.2.4 机器人上下料运动轨迹规划

（1）运动轨迹规划。规划机器人上下料手爪运动路线（图7）。（2）规划设计手爪。根据毛坯及半成品规格尺寸，设计手爪。（3）机器人上下料程序编制。根据运行轨迹示意图，编制机器人自动上下料控制程序。机器人程序变量如下。

机器人输出的I/O变量

表1 HR20-1700-C10机器人与数控机床I/O信号对照

图5 机器人和数控机床工装I/O接线

图6 机床部分控制程序

图7 运动轨迹示意

4 结束语

机器人在斜床身数控车床中实现自动上下料控制，为实际加工中对工件输送要求较高和定位要求精确的数控机床（特别是车削中心、加工中心和车铣中心）点位控制的发展和应用提供了一个解决方案，可以实现无人化、自动化以及智能制造的要求。该上下料系统配备在数控车床上，可满足轴类零件上料和下料及码垛需求。本次改造结合了机器人与数控机床的功能，数控机床操作的安全性得到了提高，劳动强度大幅降低，工件的自动上下料及自动加工连接更紧密，为后续的智能制造应用奠定了一定基础。

［1］刘艳华，何高清，祖晅.柔性车削中心上下料机构设计和控制［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（7）:96-98.

［2］王学良.机械手上下料控制系统关键技术研究［D］.无锡：江南大学，2012.

［3］韩金利.华中8型系统数控PLC编程方法的研究［J］.机械工程师，2013（9）:93-95.

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〔编辑 凌 瑞〕