基于FANUC机器人的数控机床上下料系统设计与仿真

李玉爽 张广祥 张旭

基于FANUC机器人的数控机床上下料系统设计与仿真

李玉爽 张广祥 张旭

(芜湖职业技术学院机械工程学院，安徽芜湖，241006)

随着制造业逐步向智能化的方向发展，传统的人工上下料方式已无法满足工厂大批量流水线发展的需求。基于FANUC机器人的上下料系统采用生产稳定、可靠性强的FANUC机器人，与数控机床通过可编程控制器的进行双方系统信号的传输与通讯，并进行了电气系统的整体改造。通过对实际生产需求的分析，利用仿真软件ROBOGUIDE对系统进行离线编程仿真，可以得到完整的上下料仿真系统。该系统的可行性因此得以验证，机器人繁琐的示教工作也得以避免。

上下料机器人；数控车床CNC；系统设计；仿真

1 引言

随着工业4.0的提出，工厂智能化已逐渐成为制造业的发展趋势。上下料机器人能快速满足工厂的大批量生产，同时也能有效解放劳动力，节约人力资源成本，提高企业的生产效率。机器人对工作环境要求低，其生产的产品质量稳定可靠，工作节奏亦具有可调整性，运行平稳可靠。在数控机床自动化生产线上，工人通常需将毛坯料从放料台上取下并放置在数控机床主轴处进行加工，加工结束后还需手动将零件产品放置在上料台。人工上下料的方式效率低，而且劳动重复率高。为保证整个系统的可行性与安全性，在系统方案初步形成后，设计人员首先在仿真软件ROBO GUIDE中进行验证，验证成功后开始现场操作。采用FANUC机器人的上下料系统代替了人工劳作，提高了生产效率与自动化水平。[1]

2 工业机器人选型与数控机床的改造

2.1 上下料工业机器人的选型

机床上下料机器人系统主要是由工业机器人手臂、机械手末端执行器、控制系统、执行系统等以及终端连接的数控机床组成的自动化系统。各个系统的集成组合可以实现上下料的操作。采用的机器人为FANUC上下料机器人（M-20iA），该机器人手臂强度高，运动灵活，运动速度快，能满足本设计所需上下料机器人的运动需求。

2.2 机器人末端执行器

上下料机器人大多采用的是手爪型末端执行器。机械夹持式的结构夹持器末端安装在装有末端安装座的直杆上。当压缩气体进入气缸的两个空腔时，产生的压力使两个活塞向中间移动，从而使工件被夹紧；当没有压力气体进入时，空腔内的弹簧产生的弹力将会推动两个活塞向外伸出，从而使工件被松开。在本项目的上下料装配工作中，由于待加工的工件是棒料，故而采用的是此种末端执行器。该机械夹持式末端执行器长约15cm，宽12cm，最大承载重量为5kg。[2]

2.3 数控机床CNC的改造

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够将人工输入的程序通过逻辑化处理转换成数字化的形式，再通过信息载体控制加工中心的运动，按照所给程序的尺寸，将零件加工出来。本设计中的数控机床所选用的型号为DL-20MH，该机床具有刚性强、加工精度高和加工单元的自动化程度高的特点。

2.4 可编辑逻辑控制器PLC

本系统选用西门子S7-1200系列PLC，CPU为1214型。该型号的PLC具有结构紧凑型、功能模块化等特点，可完成设备的简单逻辑控制、高级逻辑控制和各个设备间网络通信等任务。[3]本设计有17个输入接口和14个输出接口，故PLC增加了一个扩展模块，型号为SM1223。该拓展模块有8个输入接口和8个输出接口，满足本系统的I/O接口的数量需要。

3 上下料装配系统总体方案设计

整个上下料系统由工业机器人、上料台、下料台、数控机床CNC等构成。通过机器人编程工业机器人对加工工件的上料和下料搬运，数控机床对搬运来的工件按照编写的加工程序进行加工处理。

3.1 上下料装配系统的流程

根据加工任务的要求，我们对上下料系统的工作流程做出规划。系统工作流程图如图1所示。

图1 上下料系统流程图

3.2 系统总电路设计

根据工业机器人数控机床上下料的整体要求，我们对系统的电路进行了改造，系统的主电路电气原理图如图2所示。

图2 主电路电气原理图

3.3 上下料系统的I/O配置及机器人、PLC和CNC的通讯

通过对上下料系统的流程分析及I/O点数的确定，机器人输出和CNC输入的通讯线路连接图如下图3所示。CNC与机器人的通讯线路连接图如下图4所示。I/O分配功能在图中标明。

图3 机器人-PLC-CNC通讯线路连接图

图4 CNC-PLC-机器人通讯线路连接图

4 基于FANUC 机器人数控机床上下料的仿真

整个上下料装配系统由上下料机器人、数控车床CNC、上料台和下料台组成。我们用三维建模软件将建好的数控机床、上下料台、毛坯件和加工好的零件模型保存为IGES格式，而后将其导入仿真软件中进行仿真。[4]本次仿真使用的三维建模软件是Proe，仿真软件为ROBO GUIDE。

4.1 导入仿真相关模型

根据毛坯料与加工零件的实际尺寸、上料台和下料台的三维仿真图以及数控机床DL-20MH的三维模型，我们用Proe三维建模软件进行建模；建模完成后将需要的模型全部导入ROBO GUIDE仿真软件中，并根据实际需求将各模型进行合理摆放，以保证后期可根据仿真模型进行实物加工。

4.2 系统仿真

机械手爪在不工作的状态时为打开状态，在夹取工件时为闭合状态，点击“手爪”，出现手爪的编辑菜单；点击“仿真”，再点击“手爪开”并导入手爪开状态的模型；最后点击“手爪关”并导入手爪关状态的模型。

我们将模型全部导入后开始创建仿真程序，分别需要创建毛坯件由上料台至机床中的各个程序，因本项目共包含16个工件，设计排列方式为4×4，因此我们需创建16个拾取毛坯件的子程序，并使其与前述放置毛坯件的程序一致，然后以相同方式创建成品件的仿真程序并将其进行排列。[5]

零件和毛坯件的仿真子程序的完成标志着前期布置工作的完成，而后我们创建TP程序，按照上下料系统的装配编写机器人加工程序，经过轨迹优化确定加工路线图，如图5所示。

图5 机器人执行加工程序路线图

5 结论

本研究主要以机器人与数控机床的上下料系统为研究对象，以提高生产制造的加工效率和降低工人劳动成本为最终目的，以期提高生产的自动化程度。对于机器人自动上下料系统而言，前期的仿真非常有必要。设计人员根据加工现场的要求，确定机器人的臂展以及安装高度等参数，并将仿真过程与数据导入，用以验证机器人选型的合理性。以机器人在上下料过程中的轨迹规划作为切入点，我们对基于FANUC机器人上下料系统的电气结构以及部分机械结构提出了改进意见，使工业机器人上下料系统的结构布局更加合理，[6]同时也减少了实际生产中繁琐的示教工作，降低了工人的工作量。

[1]秦展田,陈志. 花键轴加工机床上下料机械手控制系统设计[J]. 桂林航天工业学院学报, 2019(2).

[2]刘海生, 王中任等. FANUC机器人机床上下料系统设计与仿真[J]. 机械与液压, 2016,44(9).

[3]天津大学《工业携手设计基础》编写组. 工业机械手设计基础[M]. 天津:天津科技出版社, 1980:520-530.

[4]李佳. 自动上下料机械手的设计研究[D]. 北京:北京邮电大学, 2019.

[5]申宽. 数控机床一体化及系统优化布局方法研究[D]. 广东:华南理工大学, 2019.

[6]黄卓,管贻生,等. 机器人工作单元内设备布局优化[J]. 机械工程与自动化, 2016(6).

Design and Simulation of the Loading and Unloading System of CNC Machine Tool Based on FANUC Robots

LI Yushuang & ZHANG Guangxiang & ZHANG Xu & DAI Xiaodong

With the development of manufacturing industry oriented to intelligence, the traditional manual loading and unloading method has been unable to meet the needs of the development of large-scale assembly line. In the loading and unloading system, FANUC robots with production stability and strong reliability are used to transmit signals and communicate with CNC machine tools through PLC, and the whole electrical system is renewed. A complete loading and unloading simulation system can be obtained through analysis on the actual production demand by use of off-line programming simulation of the system with the simulation software. Hence, the feasibility of the system can be verified and the tedious teaching work by the robot avoided.

loading and unloading robot; CNC machine tool; system design; simulation

TP242.2

A

1009-1114（2020）03-0047-04

2019-12-05

李玉爽（1990.8—），山西晋中人，工学硕士，芜湖职业技术学院讲师，研究方向为机电控制技术研究。

研究项目：芜湖职业技术学院2019年校级科研项目“基于V-REP平台机器人仿真的建模与设计的研究”（Wzyzrzd201902）；芜湖职业技术学院2017年校级科研项目“基于VC++的工业机器人结构仿真系统平台的构建”（Wzyzr201810）；芜湖职业技术学院2020年校级拟立项教研项目“机械类专业“1+X”教学模式的实践与探究”（WZ[2019]jy03）。

文稿责编 戴晓东