数控机床上下料机器人运动控制轨迹优化研究

数控机床上下料机器人运动控制轨迹优化研究

何辉

广州明森科技股份有限公司 广东广州 510000

摘要：近年来，经济发展迅速，我国的数控行业建设的发展也有了改善。在柔性制造系统中，基于机器人技术可以带来优良的加工效果，其中以机械手自动上下料装置最为关键。在机床精度持续提升的背景下，机床加工过程中所使用到的自动上下料技术也将得到进一步深化。有必要加大对机械手上下料系统的研究工作，确定合适的控制时序，编制出科学的控制程序，优化末端手抓机构，以便提高数控机床与机器人的通讯效率，达到加工一体化的效果，以高速高精度完成上下料的各项动作。

关键词：数控机床上下料机器人；运动控制；轨迹优化研究

引言

传统的机械加工行业因生产效率低、劳动强度大以及安全防护不足等原因，逐渐被集物料搬运、传送、加工、检测于一体的柔性制造系统替代。柔性制造系统是指由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）。它由一个传输系统联系起一些设备，包括工业机器人、数控机床、传送链、立体仓库、RFID等，系统通过工业机器人把工件送到各加工设备，使工件加工准确、迅速并实现了自动化。工业机器人作为FMS系统的一个重要组成构件，是传统制造业向智能制造产业升级的不可替代的重要装备。机床上下料机器人取代人工，配合数控机床实现加工过程中零件的抓取、上下料、清扫、打磨、工件翻转等工作，极大地节约了人工成本，有效减少了生产过程中的人为安全隐患，提高了生产效率。随着加工效率的不断提升，越来越多的生产制造厂将工业机器人引入实际生产中。工业机器人在机床上的应用必定成为未来的一大发展趋向。

1控制系统的搭建

控制系统主要由顶层、中间层、底层三个层级组成 。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。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连，进行数据传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系统与立式钻铣床、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，也增强系统柔性，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，人工装满料仓，用叉车把料仓安装在上料位的定位销上，启动设备，发起加工需求后，MES通过互联网接口获取信息，MES发送指令给机器人前往上料仓取下工件并运送至生产线，机器人就位后，机器人吸取工件到机床内夹具安装位上，机床夹具自动卡紧工件；机器人退出机床，机床门关闭，机床开始加工。机床加工完成，随后机床主轴上吹气风道通过运动机床X、Y轴，清理工件表面铝屑（注：吹气风道安装在切屑液喷嘴旁边）。机床门打开，机器人抓手吸取工件到下料仓内。机床通过运动X、Y轴，吹气风道再次清理夹具表面的铝屑。机器人往下偏移一个位移，抓取下一个工件，重复以上流程，直到加工完成所有工件抓取完，料仓一侧的传感器检测到最后一个工件已取完，控制系统报警，提示人工更换上下料仓。整个控制流程由MES根据加工信息决定下一步的加工动作。

2优化措施分析

2.1机器人通讯功能

在机器人与数控机床这两大主体设备间形成高效的通讯机制，保障整体管控结构的时效性，营造出安全、精确的通讯环境，这样的整体通讯模式还可以与工业发展需求达到相适应的状态。就当前我国现状而言，在机器人与数控车床之间设置沟通渠道时，通常采用的是I/O通讯模式。此时，一方面有助于提升整体系统的信息传递质量，充分利用屏蔽信号电缆而实现机器人与数控机床之间的紧密连接，进一步打造出一套完善的电缆处理机制，为PLC运行创设良好的环境，实现对输入、输出信号的深度优化，加之屏蔽电缆具有较强的耐击穿属性，因此信息通讯质量得到了可靠的保障。另一方面，在进行软件选取时，应确保所使用的软件满足GSK机器人的实际运行需求，通过高效的信息采集与处理机制，可以做好两大主体设备运行过程中的数据采集工作，为控制 程序的运行创设稳定的环境，提升两者之间的协作效率，保障加工工作能够以高效化的状态开展下去。

2.2运动轨迹设计

以数控车床加工技术为基础，进一步兼容工业机器人的上下料技术，这样的方式可以丰富机器人通讯功能，除此之外还可以对整个运行框架做进一步的优化，达到综合分析与管控的效果，使得所得到的设计结构满足实际运行需求，无论是整体运行轨迹还是项目发展诉求都能够与工业参数达到相协调的状态。为了达到上述目标，就需要对做好轨迹设计工作，具体有：①对工件的实际特点进行分析，在此基础上确定出合适的管理策略，实现对工业机器人上下料技术与数控车床技术的综合性管控，对运行轨迹中的参数做进一步的优化。在进行动态化运动轨迹的优化时，技术人员应综合考虑到项目实际需求以及管理基准两方面内容，所得到的运行结构应与实际需求相符，形成的运动轨迹应具有规范化特性，这也是增强管控质量的基本途径，有助于管理效果的持续升级。②管理人员在此过程中应发挥出积极的作用，做好对管理问题的综合性分析工作，重点围绕运动轨迹而展开，对逻辑框架图做进一步的优化，使其可以稳定的运行下去。③管理人员还需要做好对信息机技术以及运行参数这两大方面的综合性分析工作，全面提升管控结构的完整性，对处理机制展开参数解构操作，以便增强整体运行效果。④还需要形成一条完善的编程结构，深入贯彻先进的参数设计理念，引入科学运行标准，增强程序的时序性与功能性。随着智能制造的发展，工业机器人越来越多地介入到传统工业生产中，成为产业转型升级的核心力量，逐步形成了“工业机器人+”的发展模式。本设计应用SOLIDWORKS、ABBRobotStudio等仿真软件信息化手段，对机床上下料机器人工作站进行了仿真，立体化展现了工作站的运行过程，对工业机器人系统集成的各个环节进行了验证，为后续的真实场景搭建提供了有效方案。

结语

对于机械臂上下料等机器人应用场景，要求末端机构运动尽可能平稳，即系统加减速过程需要具有高度的柔性。传统的梯形加减速和指数型加减速算法在运动过程中存在突变冲击，不适于快响应系统。七段S型加减速算法虽有一定提升，但有时还无法满足某些系统平稳运行的要求。为此本文以桁架式上下料机器人机械手爪的运动控制为研究对象，将易于实现的多项式曲线融入到S型速度曲线控制算法中，使得改进后的S型速度曲线控制算法求解过程更易于程序实现，且加速度、加加速度均连续。

参考文献

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