基于工业机器人的数控加工系统设计

李笑平

摘 要：工业机器人是数控加工系统不可或缺的工具，本文从硬件和软件两方面入手，设计基于工业机器人的数控加工系统。该系统的设计及应用进一步提高了生产效率和产品质量，为数控加工的现代化发展提供有力支撑。

关键词：工业机器人;数控加工系统;设计

中图分类号：TG659;TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）12-0016-03

Design of CNC Machining System Based on Industrial Robot

LI Xiaoping

（Chengdu Vocational & Technical College of Industry，Chengdu Sichuan 610200）

Abstract： Industrial robots are indispensable tools for CNC machining systems， this paper starts with hardware and software， and designs a CNC machining system based on industrial robots. The design and application of this system further improve production efficiency and product quality， and provide strong support for the modern development of CNC machining.

Keywords： industrial robot;CNC machining system;design

近些年，我國的科技水平不断提升，这使得工业机器人逐渐走入人们的视野，并在相关领域得到广泛应用。工业机器人实际就是如多自由度机械装置或者是多关节机械手这样具有较高自动化和智能化水平的机械设备，其可以借助自身的控制能力和动力源泉来实现一些人力难以完成的工作。但是，要想在数控加工领域有效应用工业机器人，并保证其综合效用的有效发挥，相关领域需要结合实际情况，对数控加工系统进行合理设计。

1 基于工业机器人的数控加工系统构成

1.1 材料堆放及翻转单元

材料堆放及翻转单元涉及原料平面检测仓、过滤减压阀、材料翻转气爪以及系统控制机构等内容。主要功能如下：对系统进行启停、急停、复位操作;存放待加工原材料;作为系统气源进口，过滤减压;原材料加工过程中进行翻转，即在原材料一头经机床加工以后，机器人会控制翻转气爪对其进行翻转，从而完成另一面的加工处理。

1.2 皮带运输单元

皮带运输单元的核心部分为皮带传输机构，动力来源于异步电动机。在机器人将待加工材料放置在皮带上以后，传送带会在收到运行指令以后启动运行，而在材料达到既定位置以后，尾部传感器会检测并发出信号，将传送带停止，直到机器人对材料进行抓取。

1.3 上下料单元

上下料单元包含工业机器人、数控机床等内容，具有较高的自动化水平，主要是由工业机器人将待加工工件移动至机床加工工位进行自动加工，在完成加工以后，工业机器人抓取工件并将其放到相应的位置上。

1.4 控制器与气源供应单元

控制器与气源供应单元主要由变频器、断路器、空气压缩机、三菱可编程逻辑控制器（PLC）、接线端子排以及开关电源等构成，是电气元件的一种汇集体，能够进行气源以及电源的有效供给。

1.5 智能分拣单元

智能分拣单元主要涉及分拣机器人及码垛立体仓库两部分。本设计主要使用ABBIRB1410工业机器人以及3×3码垛立体仓库。具体功能如下：在传送带尾部，传感器检测到工件达到既定位置以后，机器人会随之启动进行工件的抓取，并根据仓库工件码放情况，按顺序进行入库处理。

基于工业机器人的数控加工系统主要应用三菱PLC当作控制中心，系统结构如图1所示。

2 基于工业机器人的数控加工系统硬件设计

2.1 设备选型

本系统应用的硬件设备主要包括ABBIRB1410工业机器人、供气系统、光电传感器、RS485通信模块、华中HNC-180XP/T3数控系统、限位开关、三菱FR-D720S变频器、三菱FX3U系列PLC以及相关部件等。利用这些硬件设施，数控加工中心可以形成闭环控制系统，工业机器人负责材料的灵活抓取，数控机床负责各项材料的加工，并对材料以及零部件进行移动。

2.2 网络通信设计

在TCP/IP协议中，Modbus/TCP属于Modbus报文传输协议，属于标准形式的网络通信协议。该协议能够通过网络或者相关设备实现控制器间的有效通信，并满足控制器与工业机器人间的通信需求。

PLC编程软件需要调用Modbus/TCP的指令库。由于指令是Modbus/TCP服务器顺利通过控制器与PLC集成接口有效连接和通信的基础保障，因此网络通信设计过程需要应用MB-SERVER以及MB-CLIENT等指令。其中，前者用于对Modbus/TCP客户端连接请求以及Modbus功能接收请求的发送和响应，而后者则可以在服务器和客户端之间构建连接，对相关请求进行发送、接收、响应，并实现Modbus/TCP服务器连接终端的有效控制[1]。

控制器PLC和机器人之间进行交互，主要是为了接收PLC的动作指令，具体地执行指令动作，同时将动作执行情况反馈至PLC，确保系统运行的正常性。而工业机器人向主控制器PLC反馈的信息通常由指令响应状态信息、系统状态信息、工业机器人运行状态信息等内容构成。

数控机床和工业机器人之间的通信主要是通过以下设计来实现的。首先，数控机床的夹具、安全门以及加工状态等信息都会以布尔量为基础，在指定寄存器中存放。工业机器人会通过Modbus设备读取多个寄存器中的数值，并判断其中的布尔量，以设定动作轨迹[2]。

与此同时，系统网络通信设计还需要选择和确定PLC端口，即主站中的0#PLC和从站中的1#PLC。下面以1#PLC为例进行说明。该PLC端口涉及输入端口和输出端口，其中，输入端口涉及X11、X12、X13以及X14，分别代表传送带材料放置检测、传送带材料移动检测、机器人完成物件抓取（OUT2）以及机器人完成放件（OUT3）。而输出端口涉及Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7以及Y8。其中，Y0、Y1代表变频器的正转与反转，Y2为电机抱闸，其余输出端口则分别是机器人的取件（IN1）、放件（IN2）、Stop（IN3）、Start at Main（IN4）、Motors Off（IN5）以及Mo tors On（IN6）。

除了需要对上述PLC端口进行选择和确定以外，还要对机床信号、机器人信号以及PLC通信信号加以确定。[3]。

3 基于工业机器人的数控加工系统软件设计

第一，复位，由工业机器人1#到材料库位进行材料抓取，然后将其放置在数控机床上，在数控机床夹具将材料夹紧以后，工业机器人1#在机床外等候。第二，机床对材料进行加工处理，其间，工业机器人1#会在机床进行取件，在机床夹具松开以后，将材料放在旋转夹具上夹紧，并在一旁等候。在完成材料旋转以后，工业机器人继续取件，回到材料放置工位，并将旋转夹具复位，待机床夹紧材料以后，再次在一旁等候。第三，在机床完成材料的二次加工以后，会将工件放置到传动带中，运送至机床末端，处在机床末端部位的工业机器人2#会对工件进行夹取，在其离开传动带末端以后，传动带会进行反转，完成工件的库存处理。第四，工业机器人2#在完成相关工作以后会回到传动带末端，等待工件达到信号，然后循环运行[4]。

3.1 PLC控制设计

本系統的三菱PLC有2台，在进行控制程序编写的过程中，将0#PLC设为主站，而1#PLC作为从站使用.在此过程中，从站个数应为1，而通信方面的软元件点刷新模式也应该是1，重试次数可以设置成3次。通信超时上限可以设置为50 ms，需要注意的是，这个超时限值应该参考2台PLC的设置距离进行设计，通常，距离越长，则设置的时间应该越长[5]。

3.2 工业机器人控制设计

工业机器人在执行机构运动方面具有相应的控制机能，因此可以设置连续轨迹，也可以设置点位轨迹。其中，点位轨迹就是控制执行机构从一点向另一点进行准确的移动和定位，通常在一般装卸、运输以及机床上下料等操作中使用。而在数控加工中，原材料运输和零件仓储都可以通过系统控制工业机器人来完成。

此外，为了有效提升上下料机器人的工作精度及效率，人们还需要结合其末端位置姿态和运行路径，针对其运行轨迹进行平滑参数的调整，在两台直线路径中进行过渡路径的规划。在数控机床上下料操作中，工业机器人的运动多为直线路径，而在两个相邻路径之间设置过渡点，应用线性轨迹圆弧过渡的方式，算法较为简单，而且在编程中容易实现，因此其在系统设计中可以进行有效的应用。

结合工业机器人对工件的放置要求，人们需要保证工业机器人末端夹具垂直运行至起始位置[P1]，而[P1]到达[P2]位置的运行轨迹如图2（a）所示，主要为直线轨迹，[P1]需要在水平移动以后到达距离[P2]位置的50 cm处，然后垂直运动50 cm，到达既定位置。如果应用圆弧过渡算法，将机械下一运动距离与原有运动距离进行重叠，就获得新的运动轨迹，如图2（b）所示。下面使用Move.ForceOverlap指令，使工业机器人从[P1]移动到[P2]位置，将运动距离和目标距离进行百分比重叠，系统程序最终会对2个距离进行50%的重叠处理。

完成准备工作以后，数控机床会向工业机器人发送相关信号，而工业机器人接收到该信号以后，就会执行动作，对原材料进行输送，将其放置在机床夹盘处夹紧，然后机械臂会随之退出，并将数控门关闭，最后有数控门部分的限位开关会发布数控加工指令。在进行数控加工的过程中，根据不同的原材料、精度要求以及元件特性，运行轨迹也不尽相同。具体运行轨迹是由数控编程来决定的，但加工流程基本是一致的。

4 结语

以工业机器人为基础，设计和应用数控加工系统，能够有效提高数控加工的自动化水平和智能化水平，保证数控加工效率和质量，这对于数控加工领域的现代化发展有着至关重要的作用。因此，相关领域应该结合实际情况，对数控加工系统进行深入的研究与应用，确保其能够在数控加工生产中发挥更大的作用。

参考文献：

[1]庞党锋，宋亚杰，王春光，等.基于工业机器人的数控加工控制系统设计[J].机床与液压，2020（21）：67-69.

[2]郭丽峰，赵晓飞，郭建璞，等.基于KUKA工业机器人的柔性加工系统研发[J].北京石油化工学院学报，2018（4）：45-49.

[3]韩鸿鸾.工业机器人与数控加工的集成[J].金属加工（冷加工），2016（4）：4-7.

[4]周名侦，张少明，蒋祖星.工业机器人控制的机加工生产线设计与实现[J].机电工程技术，2018（3）：76-78.

[5]郑东梅，王庆喜，延安.工业机器人在数控机床自动上下料系统中的应用[J].粘接，2019（11）：190-192.