基于机器人的数控机床自动上下料应用研究

基于机器人的数控机床自动上下料应用研究

朱辉 2.腾龙

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：在企业生产过程中应用自动化技术，实现智能化生产，可以显著提高企业的工作效率，增加企业的经济效益，并能够提升市场竞争力，使企业能够更好地适应当今社会的发展需求。在柔性制造系统中，基于机器人的生产技术可以显著提升机床的利用率，其中以机器人对机床自动上下料系统最为关键。在机床使用率需求持续提升的背景下，机床加工过程中所使用到的自动化技术也将得到进一步深化。所以有必要加深对机械手上下料系统的研究工作，确定合适的控制时序，编制科学的控制程序，优化机械手末端手抓机构，增强数控机床与机器人的通讯效率，达到加工一体化的效果，以高精度、高效率的方式做出上下料等各项动作。基于此背景下，结合企业生产需求，设计开发了一种机器人自动上下料系统，整套装置由 PLC 进行控制，将机器人与数控机床有机融合，实现工件的自动上下料，着重分析基于工业机器人的柔性生产线控制系统。

关键词：工业机器人；数控机床；PLC 控制；自动上下料

一、工业机器人概述

机器人是现代工业生产中不可缺少的重要工具。在柔性制造方向，自动上下料是机器人技术应用的一个重要方面。随着机床向高速、高精度的趋势发展，机床加工中的自动上下料技术将具有广阔的发展前景。^[1]智能制造柔性生产线，是以安装在行走导轨上的机器人为基础，同时负责多台数控机床的上下料工作。将工业机器人上下料技术与数控机床加工技术相结合，针对加工实例设计了机器人自动上下料机构、机器人与数控机床通信单元，并规划了机器人上下料运行轨迹。使数控机床与机器人、零点定位系统等设备配合，实现自动化、无人化生产，并对数控系统进行了二次开发。采用工业六轴机器人实现机床自动上下料，通过自动导引车实现物流在各工位之间的自动周转，并设计和研究了相关通信接口与控制系统。

二、数控技术与工业机器人技术

我国在数控设备加工应用领域中，将工业机器人应用于数控机床，实现两者的融合应用越来越广泛，在技术应用层面上有了显著进步。工业机器人与数控机床的融合主要应用在柔性制造系统（FMC），系统根据生产需要，将几台机器人、多台数控机床及其辅助设备进行联网组线，工业机器人与数控机床不仅各有独立的控制系统，同时还可以通过数据通信，实现机器人与数控机床之间的信息传递，完成工业机器人对机床自动上下料，从而改变传统人工搬运工件的生产方式。以自动上下料工业机器人为例，通过将工业机器人与数控加工中心进行集成应用，采用 PLC 控制技术对工件生产线运行进行实时控制，提高系统可靠性，实现工业生产线控制自动化，不仅能够提升机床使用效率，还可以进行重复编程，满足工业生产的需要，适应各种恶劣生产环境，促进生产经济效益提升。

1、系统构成。某企业通过进口机器人设备与数控加工中心有机融合，一台机器人负责三台数控加工中心的上下料；自动化物流系统共设立十个料架，两个装载站。机器人从装载站搬运工件托盘到机床，机床夹具卡紧定位，并开始加工，加工完成后，机器人下料到另一侧料仓，再按照生产管理系统的安排抓取下一个未加工工件。生产管控系统实时读取中控PLC及各系统状态，并通过大屏幕实现数据的可视化和数据的实时分析处理，设备监控看板展示工业机器人工作状态，所有设备统一服从生产管控中心的命令安排，实现整个生产过程的自动化。本生产线的上下料仓定位杆方便上料定位。地面上有料仓定位销钉，料仓可以准确安装在指定位置。机械手抓取工件采用的是气动夹紧托盘上握爪的方式，有效避免了机械夹具抓取时对工件可能产生的磨损。抓手采用内置止回阀，减少抓取时空气的损失。主控PLC可通过PROFINET网关以约定的协议设定机器人相关内部寄存器数据，控制系统与机器人成功对接并运行，以实现控制机器人执行不同功能的动作，完成既定的控制目标与期望的信息交互。

2、控制系统的搭建。控制系统位于顶层的 MES 层，主要负责订单管理、制造过程调度和监控；而位于中间层的控制层，主要负责数据采集、流动及控制任务；位于最底层的设备层，主要负责执行相关动作与完成上下料任务结构如图所示。

以PLC为主控制器的控制层，支持工业以太网接口，系统统一采用工业以太网相互通信连接，进行数据运输时提高通讯可靠性，同时采用分布式 I/O 模块。而MES采用强大数据采集引擎，完成数据采集渠道的整合，与主控 PLC 进行数据交互。同时，MES可自由读取所有生产信息或直接控制中控系统，正确完成 MES 系统与数控加工中心、工业机器人、PLC 等设备的参数配置，完成模块化功能及底层部件动作控制，实现信号连接和数据采集，同时也增强了系统柔性，便于后期功能扩展。根据工艺流程要求加工工艺模块化设计，扩展PLC模块，完成PLC 编程及HMI工控组态，使得控制层可与MES相连完成系统订单任务，也能根据实际需求，脱离MES脱机工作，完成智能化生产任务。以本自动上下料生产线为例，机器人按照指令装满料仓，启动设备，发起加工需求后，MES通过互联网接口获取信息，发送指令给机器人前往上料仓取下工件并运送至生产线，机床各个轴移动到指定位置锁定后，机床自动门开，机器人抓取工件托盘到机床内零点定位底座上，零点定位底座自动夹紧工件，机器人退出机床，机床门关闭开始加工。加工完成后，机床刀库调用吹气风刀，通过移动机床 X、Y 轴，清理工件表面铝屑（注：吹气风刀安装在切屑液喷嘴旁边）。机床门打开，机器人抓取工件到下料仓内。若此加工完成的工件有检测需要，则机器人会直接将其搬运至三坐标测量机进行检测，并自动出具检测报告。按照以上步骤直到完成所有MES系统安排的订单，控制系统报警任务已完成，提示人工更换料仓中已加工的工件。整个控制流程由MES系统根据加工信息决定下一步的加工动作。

3. 
   

4. 实时监控功能。本加工产线设计以机器人搬运上下料为背景，生产线以

MES为核心，结合PLC技术和工业互联网等先进技术，可完成制造过程中的工艺设计、智能排产、状态监测等功能。其中对生产线关键数据的实时传输显示，监控生产系统的运行状态，能够有效提高生产线的自动化程度，提高生产效率。主要检测功能包括：加工数值超差报警、实时信息的传输、机床状态的监控，通过有效的监测，实时对生产线相关数据进行采集，及时定位故障报警设备，对机器人上下料系统进行实时监测，即时显示相关产品工艺参数及状态，确保生产系统正常运行^[2]。

结语：

为了提升小批量生产零件的加工效率，结合当前智能制造领域的新技术，在传统机床人工搬运的基础上开发设计一种机器人自动上下料的生产线控制系统是行业发展的必然趋势。在此自动化生产作业过程中，除了需要人工将工件装夹在托盘夹具上，其他工序均由自动化物流系统自动完成，实现了高效生产，重点对机器人上下料控制系统设计和流程进行了分析。该生产线组装简单，系统布置合理，经过测试，系统整体运行安全稳定，且可根据企业实际生产需要灵活调整设备，具有很好的应用价值。目前，该生产线已经投入生产，根据经验及统计资料，本自动化加工单元的使用率约为0.723，自动化系统动作可靠、性能稳定。

参考文献：

[1] 阮广东.数控加工与工业机器人应用中若干关键共性技术问题探析[J].北京工业职业技术学院学报，2018，17（2）：16-19+24.

[2] 王富春，陈超山.基于工业机器人的自动加工工作站研制[J].科技创新与应用，2019（17）：70.