机器人辅助机械加工单元控制系统设计

张茂林 魏志宾

摘要：科技的进步，促进工程建设事业得到快速发展。机器人辅助机械加工在国内外航空制造业中已经大量使用。如2001年，美国Electroimpact公司设计了一套机器人自动钻削系统，用于波音F/A-18E/F的机翼后缘襟翼的制孔和锪孔;空客公司利用机器人较大的工作空间、复杂的运动轨迹、高的重复精度和运动协调能力，从而实现飞机隔音板蒙皮的成型加工。然而在航空修理企业，由于行业自身特点及特殊性，还没有机器人辅助机械加工的方案，解决小批量多品种标准件的生产问题。本文就机器人辅助机械加工单元控制系统设计展开探讨。

关键词：机器人;控制系统;自动上下料

引言

通过将机器人与数控机床集成在一起形成一个柔性制造单元或柔性制造系统，根据不同零件的特点采用不同的末端执行器来完成工件的上下料，缩短机床辅助时间，提高产品质量稳定性，这将是生产制造小批量多品种零件的必然发展趋势。作者从满足小批量多品种零件的生产节奏需求出发，建立了基于PLC控制系统的机器人辅助机械加工单元，实现了柔性化智能化机械加工，进而提高了零件的生产效率，保证了零件质量一致性。

1工业机器人的发展背景

工业机器人是一种能够在三维空间中实现各种预期动作的自动化生产设备，它可以完成各种仿人操作，可以进行反复编程，可以实现控制自动化，是机电一体化产物，非常适合柔性生产线。它由机械本体、驱动器、控制器和反馈装置组成。工业机器人应用的普及，改善了工人的工作环境，提高了产品加工效率和质量，对于我国制造业发展有着显著的意义。在当代，机器人领域的研究是非常活跃的，将会越来越受到国家的重视。机器人技术涵盖了各种学科，包括了机构学、电子学、信息学、计算机技术、传感器技术、人工智能等，它象征着我国工业自动化水平的高低。工业机器人不但可以替代工人的手工操作，而且能够明显提高加工产品的质量，进而促进我国先进制造技术的发展，它是自动化生产线上必不可缺的设备。另外，工业机器人能够对外部环境状态进行判断，并快速做出相应的应对策略，能够高精度、长时间连续工作，还能够抵抗恶劣的工作环境。工业机器人的价格将逐渐降低，但是使用量将不断增长，它将促使工业领域变得更加有效。另外，工业机器人己经和计算机辅助设计（CAD）系统、计算机辅助制造（CAM）系統结合在一起应用了，这也是现代制造业自动化的最新发展趋势，这种技术正在引导工业自动化向一个新的领域过渡。工业机器人开始出现于1960年末，到现在为止己经有50多年的发展历史了，在这段时间里机器人技术己经取得了巨大的发展。机器人的发展分为三个阶段，第一代示教重现工业机器人：这是一种比较简单的工业机器人，以工作人员牵引机器人末端执行器方式进行示教，主要用于不要求精确轨迹的简单点位控制场合。这类工业机器人的控制方式比较简单，成本也比较低。第二代带感觉的工业机器人：这是一种比较复杂的工业机器人，一般集成有内部信息传感器和外部信息传感器，通过这些传感器信息的融合来识别自身以及外部环境参数信息。这类工业机器人的控制方式和智能程度都要远比示教再现型高第三代智能工业机器人：这是目前研究领域内最复杂的工业机器人，具有和人类似的思维能力，能够对一些突发情况做出合理的决策。这类工业机器人的控制方式最复杂，需要使用智能控制方法。

2机器人辅助机械加工单元结构组成

机器人辅助机械加工单元由一台发那科机器人、2台数控机床（GT27、CK7516）、末端抓手夹具、毛坯输送机、转料台（包括两套半成品工装盒输送装置和一套半成品料盒输送装置）、机器人移动导轨、控制系统等组成，具体的单元布局如图1所示。系统采用PLC电气控制和气动控制相结合的控制方式。PLC控制着整个单元各个模块间相互配合动作;气动系统则以压缩空气为气源，通过电磁换向阀来实现气动执行机构的往复运动。机器人辅助加工单元控制过程如图2所示。

3机器人辅助加工单元

机器人辅助加工单元由1台机器人完成对2台机床进行上下料的作业。整个单元包括机器人、2台数控机床、机器人末端抓手夹具、毛坯输送机、转料台（包括两套半成品工装盒输送装置和一套半成品料盒输送装置）、机器人移动导轨、PLC系统控制器。

4控制系统软件设计

4.1PLC软件设计

在此系统中，PLC程序设计主要分为两部分，自动控制运行和手动控制运行。自动控制主要是通过触摸屏按钮启动后，系统能够完成整个单元的机器人辅助数控机床上下料作业，其中包括毛料的自动顶升、机器人抓取毛料、机器人抓取半成品、各类气缸往复动作等。手动控制原理较为简单，通过触摸屏可以单个控制整个单元各个模块的动作。PLC软件主体架构流程图如图3所示。

4.2触摸屏软件设计

根据机器人辅助机械加工单元的整体控制流程及实际生产操作要求，设计了主界面、手动控制、输入监控、输出监控等软件模块，其触摸屏界面如图4所示。

5气动控制回路设计

机器人辅助机械加工单元的气动控制回路如图5所示。气动系统是由气源处理装置、电磁换向阀、调速阀、气缸以及各种快速接头等组成。气源系统压力为（0.5～0.7）MPa，系统中机器人抓手模块气缸换向阀采用AIRTAC公司的三位五通电磁阀（型号为4V230C-08-B），机器人辅助装置模块气缸换向阀则采用两位五通电磁阀（型号为4V210-08-B）。机床1和机床2开门气缸选用AIRTAC公司的带磁标准复动型气缸（型号分别为SI32-700-S，SI32-500-S），棒料定位气缸、棒料顶升气缸、棒料抓手气缸、成品抓手气缸、传感器直线气缸均采用SMC公司产品，型号分别为MI16-20CA、MGPM12-75Z、MHL2-20D、MH-SL3-32D、CXSJM6-40。半成品托盘1气缸、半成品托盘2气缸、料盒气缸均采用CY3R40-800。每一气缸上分别带有可调位置的磁性开关（S1、S2型号分别为DS1B1020和D-M9B），用于极限位置的检测，以实现气缸伸出与缩回位置的可调节。气源经过气动三联组件后，进入气动软管中，通过PLC控制电磁换向阀实现各种气缸的往复运动。在各气缸的气口都装有单向节流阀主要是为了使气缸行进速度可调节，且运行平稳，避免启动时活塞杆突然快速推进而撞击缸盖。

结语

机器人辅助机械加工单元控制系统的运用，提高了产品的质量，降低了人力资源成本，满足了小批量多品种零件的加工需求。

参考文献

[1]徐敏.机器人技术在机械加工中的应用[J].教练机，2017，10（3）：27-31.

[2]邓锋.采用标准关节机器人系统对飞机货舱门结构的自动钻铆[J].航空制造技术，2015（19）：32-35.