基于工业机器人的加工中心智能化改造方法研究

2022-03-01刘世国操文芷陈铁友

装备制造技术 2022年12期

刘世国，操文芷，陈铁友

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

0 引言

随着装备制造业向自动化、数字化、网络化和智能化的方向发展，数控机床已不再是单一独立的生产加工设备，需与工业机器人、检测和监控设备、工业物联网技术、数字信息技术等深度融合进行迭代升级，实现零部件的智能化加工，适应产品的个性化需求和小批量生产模式，提高生产加工的自动化水平和生产效率，降低工人的技术要求和人力成本，最重要的是改善产品质量，提升产品附加值[1]。

企业在智能制造转型升级过程中，为了适应产品的个性化需求，满足多品种、小批量零件加工的生产模式，需对现有的传统数控机床进行智能化升级改造，组成最基本、最核心的智能加工单元，既能满足智能化生产需要，又可提高设备利用率、节省成本[2，3]。因此，提出一种立式加工中心智能化升级改造的方法，通过联调实现零件智能加工的完整过程，克服传统独立的数控机床存在的自动化程度低、连续操控性弱、劳动强度大等不足。

1 智能加工单元整体布局

为满足企业产品自动化、智能化生产加工需求，现对已有的传统数控机床进行智能化升级改造，从工件选取、机器人自动上下料、数字化加工、零件在线检测、全程监控等环节实现完整的智能制造过程。待升级改造的FANUC 0iF PLUS 立式加工中心配置了刀库、自动防护门和夹具，在此基础上增加FANUC 工业机器人、料仓、PLC、数字化在线测头、触摸屏等必备的外围设备，构成最基本、最核心的智能加工单元，所有设备布局如图1 所示。

图1 智能加工单元布局图

2 智能加工单元硬件连接

改造后的智能加工单元由多种硬、软件设备集成在一起，各设备之间通过网线连接，具体连接关系如图2 所示。其中，机器人实现自动上下料，料仓用于存放工件，PLC 和路由器进行信号通讯，数字化在线测头自动检测零件加工尺寸，触摸屏时时显示设备运行状态。

图2 智能加工单元硬件连接

为了能使智能加工单元按照既定工艺流程执行，以路由器为数据交互中心，建立工业机器人、加工中心、PLC、料仓、触摸屏在内的通讯网络，其交互信号如表1 所示。

表1 智能加工单元交互信号

3 智能加工单元软件设计

3.1 触摸屏画面开发

触摸屏是人机交互的窗口，主要用于显示工业机器人、加工中心（包括机床防护门和夹具）、料仓的运行状态与报警信息。根据智能加工单元控制要求设计触摸屏画面（图3），以数据交互中心为枢纽，将触摸屏中的控制按钮、状态指示灯、数据显示框与PLC 相应的变量连接，实现PLC 与触摸屏的数据交换[4]。

图3 触摸屏画面示例

3.2 料仓库位定义与选择

料仓共有三层、12 个库位，适合存放方形和圆柱形工件。从下往上看，依次为A、B、C 三层，每层有4个库位，从左向右看，依次为1、2、3、4 号，每个库位后侧安装传感器检测库位有无工件。

为了更好监视料仓库位的工件信息，触摸屏上设计料仓绿色表示库位有料，灰色表示库位无料，具体如图3（b）所示。在执行机器人抓取工件时，有手动和自动两种模式进行库位选择。手动模式下，在触摸屏上手动指定机器人要抓取工件的库位，若库位显示无料，则不可执行；自动模式下，机器人按照控制要求依次选择，自动跳过无料仓位。

3.3 工业机器人自动上下料流程

工业机器人位于智能加工单元的中心，料仓和加工中心都在机器人的臂展范围内，通过示教编程实现自动上下料，其流程如图4 所示。在执行一个完整流程时，先判断料仓库位是否有工件，若料仓无工件，机器人不执行，一直处于等待料仓库位有工件的信号；若料仓有工件，则根据抓取工件形状（方形或圆柱形）选择相应的手爪，方形工件选择Ⅰ号手爪，圆柱形工件选择Ⅱ号手爪，然后进入料仓抓取工件，将其送至机床侧安装在夹具上，待零件加工和检测结束后，再将加工后的零件从机床侧取回放至料仓，最后将手爪还回至手爪架。

图4 机器人自动上下料流程

智能加工单元在自动模式下运行时，机器人会频繁进出机床，为了避免机器人与机床防护门碰撞，保证自动上下料流程运行稳定、安全，通过设置FANUC机器人防止干涉区域，开发二者的安全联锁功能，设置信号DO115（输出）和DI126（输入）。若机器人在机床内部，机床防护门关闭不了，必须等待机器人运行至门外，防护门才能关闭；若机床防护门已关闭，机器人运动至门前必须停住，等待防护门打开，只有当防护门打开到位后，机器人继续自动运行至机床内部。

3.4 FANUC 0iF PLUS 加工中心程序

智能加工单元核心是完成零件加工与尺寸，因此加工中心必须调用加工程序、执行在线检测环节，在机器人自动上下料的辅助下完成整个智能加工流程。对加工中心而言，必须要定义M 代码配合机器人自动上下料流程，编写PMC 程序根据机器人选取的工件类型自动调用相应的零件加工程序。

（1）M 代码定义，如表2 所示。

表2 机床侧M 代码

（2）加工程序自动调用。料仓A 层存放Ⅰ类零件、B 层存放Ⅱ类零件、C 层存放Ⅲ类零件，这三类零件的加工程序各不相同，若要在同一个智能加工流程中实现多品种零件生产加工，需在加工中心上编写关于SUB40 指令的PMC 梯形图，如图5 所示。当机器人抓取A 层库位工件时，R600.5 激活，调用加工程序O0001，加工Ⅰ类零件；当机器人抓取B 层库位工件时，R600.6 激活，调用加工程序O0002，加工Ⅱ类零件；当机器人抓取C 层库位工件时，R600.7 激活，调用加工程序O0003，加工Ⅲ类零件。

图5 切换加工程序的梯形图

4 实验结果分析

按照上述智能化改造方法升级而成的智能加工单元，通过联机调试验证了智能化生产所需功能，并进行实验对比。在实验过程中，对照组与实验组各分配毛坯9 个，其中Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类零件的毛坯各3个，对照组的毛坯放在机床附件的置物架，实验组的毛坯分别放在料仓的A、B、C 层库位。对照组采用未经改造的单台机床，分别加工3 种类型零件的毛坯；实验组则采用改造后的智能加工单元，连续加工3 种类型零件的毛坯。应用改造方法前后的功能指标对比如表3 所示，实验结果表明：（1）改造后的智能加工单元自动化程度高，操作人员劳动强度极低，可靠性和生产效率高，平均节省时间约10%～ 15%；（2）数字化在线测头自动检测零件尺寸，测量精度高，检测正确率100%；（3）满足企业多品种、小批量零件连续加工需求。