第7期 2013年7月 组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique NO.7 Ju1.2013 文章编号:1001—2265(2013)07—0105—05 工业机器人上下料技术及数控车床 加工技术组合应用研究 郑泽钿 ,陈银清。,林。,张火勇 ,邱 勇。 (1.广东省茂名市技工学校数控加工教研组,广东茂名 525000;2.广东石油化工学院机电工程学 院,广东茂名 525000) 摘要:为提高数控加工的切削效率和加工精度,对工业机器人上下料技术及数控机床加工技术组合 应用进行研究。分析了GSK机器人及980T数控系统车床的特点。针对加工实例,设计机器人自动 上下料机构,机器人与数控车床通讯单元,规划机器人上、下料运行轨迹。该研究结果能使机器人与 数控车床配合,实现零件加工过程中上下料的自动化和无人化。是一种小型柔性制造单元在数控加 工中的具体应用。 关键词:GSK机器人;上下料技术;980T数控系统车床;轨迹规划 中图分类号:TH166 文献标识码:A Study on Groupware Applications about Industrial Robot to Load-unload Workpiece and the Processing Technology of NC lathe ZHENG Ze—tian 。CHEN Yin—qing ,LIN Wen-qiang ,ZHANG Huo—yong ,QIU Yong (1.Group of Theaching Rosearch CNC Machining,Maoming Technical School,Maoming Guangdong 525000,China;2.College of Machinery and Electronic Engineering,GuangdongUniVersity of Petrochemi・ cal Technology,Maoming Guangdong 525000,China) Abstract:To improve cutting efficiency and machining accuracy by numerical control(NC)machining, Groupware applications about industrial Robot to load-unload workpiece and the Processing technology of NC lathe was studied.The characteristic about GSK Robot and 980TNC lathe was analyzed.By exam— ple,Structure of robot to load—unload workpiece and the communication unit about GSK robot and 980TNC lathe were deisgned.Locus about GSK robot to load—unload workpiece trajectory was planned. Results show that groupware applications about industrial Robot to load--unload workpiece and the Pro-- cessing technology of NC lathe realized automation and unmanned about load--unload workpiece in nu ・ merical control(NC)machining.One kind Small flexible manufacturing unit in numerical control(NC) machining was realised. Key words:GSK robot;robot to load—unload workpiece;980TNC lathe;trajectory planning 0 引言 21世纪以来,机器人已经成为现代工业中不可 缺少的重要工具。机器人是最具代表性的现代多种 高新技术的综合体,它可从某种角度折射出一个国 家的科技水平和综合国力。自从上世纪60年代第 台工业机器人问世以来,机器人的种类已经从最 初的操作手逐渐衍生出各类机器人,并且深入到人 类生活的方方面面¨ 。 一的高速高精度发展趋势,机床加工中自动上下料技 术将具有更广阔的发展前景。研究机械手上下料系 统的控制时序,设计合理的控制程序,巧妙设计机器 人末端执行器(手抓)结构,很好地实现数控机床与 机器人的通讯功能,有效地组合工业机器人上下料 技术及数控车床加工技术于一体,最终实现快速的 高精度上下料功能等有着广泛的实用意义 。 本文采用工业机器人自动上下料技术,研究数 其中在柔性制造系统方面,机械手自动上下料 装置是机器人技术应用的一个重要方面,随着机床 收稿日期:2013—03—07 控车床上加工综合零件的过程。分析加工件的工艺 特点,编制合理的CNC加工程序,规划合理的机器人 运动轨迹,设计机器人末端执行器,把工业机器人上 作者简介:郑泽钿(1965一),男,广东潮安县人,广东省茂名市技工学校机械工程师,研究方向为现代数控加工技术,机电一体化技术等,(E —mail)zhengzetian@sohu.corn。 ・1O6・ 组合机床与自动化加工技术 第7期 下料技术及数控车床加工技术有机地组合起来,实 现模块化自动上下料柔性制造单元,达到集成化、高 精度、高效率的效果。 1 GSK机器人和数控车床的工作单元 1.1 GSK机器人功能 GSK机器人是一种基于工业标准开发、设计的 关节臂式机器人,其外形及各关节位置示意如图1 所示,图2是GSK机器人的等价几何模型。机器人 在直角坐标系下运动的 、】,、z方向,如图3所示。 图1 GSK机器人外形图 图2 GSK机器人运动学模型 图3机器人直角坐标系 GSK机器人为用户提供了一个全开放、可扩展 的机器人控制系统开发平台。针对不同的应用研究 和开发项目,用户可以方便地向控制系统中添加视 觉传感器、力传感器以及红外等各种扩展传感器,或 者添加各种末端工具来扩展机器人的功能,并将这 些扩展功能与机器人控制系统进行无逢集成,从而 实现机器人二次开发功能。现研究通过添加末端工 具实现在数控车床上自动上下料。 1.2 980T数控系统车床 980T数控系统车床是一种半闭环式的数控车 床,可完成各种回转面工件的加工,采用由广州数控 设备有限公司生产的980T数控系统,可适应手工或 自动编程自动加工方式,是一种编程格式简单、界面 友好,操作方便的数控机床 。其外形如图4所 示。现研究GSK工业机器人上下料技术及980T数 控系统车床加工技术的组合应用。 图4 980T数控系统车床外形图 2 数控机床及机器人上下料协调工作流程 要保证机器人在数控车床加工时准确无误及时 地上下料,须考虑以下几个问题: (1)分析数控车床加工工件的车削工艺流程; (2)设计合适的机器人末端工具(手抓); (3)规划机器人上下料的运动轨迹、设计流程图 及编制运动程序; (4)实现数控车床与机器人的通讯。 3组合应用实例 3.1综合工件数控车削工艺分析 如图5所示工件,生产纲领为大批量生产,材料 中碳钢。这是一个综合工件,内容包含了内外螺纹、 内孔、外圆柱面、外圆锥面及端面等。在数控车床上 加工,需要进行两次装夹。现将工业机器人上下料 技术及数控车床加工技术组合应用,以自动上下料 的方式加工此工件,提高加工效率。 图5加工件零件图 3.2扩展GSK工业机器人功能 3.2.1加工设备布置 设备布局两种方式比较:①单台机器人服务单台 数控车床;②单台机器人服务双台数控车床。考虑设 备布局紧凑性好,选用第1种情况。则数控机床一机 器人加工系统布局与工作过程示意图如图6所示。 图6 自动上下料工作过程示惹图 3.2.2机器人末端工具设计 根据工件的外形特点,设计机器人末端工具(手 抓)部件,包含气动、传感器及机械部件等。如下图7 所示。 此夹具的特点是,底板和机器人的端部连接,两 套气缸分别控制两手爪,气缸上安装传感器,检测手 爪的松开和夹紧到位情况。两手爪分别用于夹取毛 坯和半成器或半成品和成品。 2013年7月 郑泽钿,等:工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究 ・107・ 1.固定爪2.滑动爪3.气缸4.压力传感开关5.气缸座6.底板 图7手抓部件图 操作时间短,效率高。相应的气动原理图如图8 所示。 图8 手抓气动原理示惫图 3.2.3机器人与车床通讯设计 为了更好的协调机器人与数控车床的工作,要 建立机器人和机床之间安全可靠的通讯机制。采用 快速I/O的通讯模式。在硬件方面,通过屏蔽信号 电缆将两者之间的PLC处理器中相应的输入与输出 点进行连接,屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。 软件方面,通过GSK机器人专用应用软件,根据采集 机床和机器人当前状态,编写相应的符合上下料逻 辑的控制程序,最终达到数控机床与机器人的有效 通讯,从而实现模块化自动上下料柔性制造系统单 元安全高效运行。GSK机器人输入及输出信号对照 关系如表1所示。 表1 GSK机器人输入及输出信号对照关系 输入信号的对应关系 指令 iO输入 指令 iO输入 指令 i0输入 指令 i0输人 10 x9,o I8 Xl0.O I16 Xl1.O I24 X12.0 I1 x9.1 I9 X1O.1 I17 X11.1 I25 X12.1 I2 x9.2 I10 X10.2 I18 Xl1.2 I26 Xl2.2 I3 X9.3 I11 Xl0.3 I19 Xl1.3 I27 X12.3 I4 X9.4 I12 X10.4 I2O X11.4 I28 Xl2.4 I5 X9.5 Il3 Xl0.5 I2l Xl1 5 I29 X12 5 I6 X9.6 I14 X1O.6 I22 X11.6 I30 X12.6 【7 X9.7 I15 X1O.7 【23 Xl1.7 I31 X12.7 输出信号的对应关系 指令 i0输出 指令 iO输出 指令 i0输出 指令 i0输出 00 Y8.0 O8 Y9.0 0l6 YlO.0 024 Yl1.0 O1 Y8.1 09 Y9.1 017 Y10.1 O25 Y11.1 02 Y8.2 01O Y9.2 O18 Y1O.2 026 Y11.2 O3 Y8.3 O11 Y9.3 019 Y1O.3 027 Y11.3 04 Y8.4 Ol2 Y9.4 O20 YlO.4 028 Y11.4 O5 Y8.5 O13 Y9.5 021 Y10.5 029 Y11.5 O6 Y8.6 O14 Y9.6 O22 YlO.6 O3O Y11.6 O7 Y8.7 O15 Y9.7 O23 Y10.7 03l Y11.7 注:其中带 为系统占用,其它信号客户根据需要可以自行定义 其中机器人工装10接线图如图9所示。 蕺‘ — 相 6 锋 ~l l t ;=m ;赫|-‘I 《 _ —-0 飘I i no,一 I啦☆墨 鲻 齄弹 _一 ll|1 no I ̄earn 魁 淡豢 一 l: n《; 糊ra'trl 蛾脚l垒 — Yll, 。j i _ 矬 -瓤 一 { { 0 _薯 .一 nl一 抽I 魏II ≯ 。 - 靓O’ Hl、l fl窖,i — II 1 T 1 图9机器人工装IO接线圈 3.2.4机器人上下料运动轨迹规划 分析综合零件的车削特点,对机器人上下料运 动轨迹进行规划,包涵三部分内容。 (1)运动轨迹规划,先对机器人上下料手抓运动 路线进行设计,如图10示意图所示。 圆 圈10运动轨迹示意图 (2)逻辑流程框图设计,根据手抓运动路线设计 逻辑流程框图,如图1l所示。 机器人机床准备L+ 机床刀架位置摆放安全 定义机器人I 胄号 确认设备 of卣号正常l !机器人编程! 调试陇 号 际而 }凛 JG OTO PLx×信号开始行f f}循环起动 辜主 蓉备 手抓央I蜃s ̄rOUT : HM0vLP2工件上方HMOVLP3抓工件(爪1).+ 到位检测WAIDELAY延时(3TIN —5目) 啪o、 P2工件上方HMovLPl原点H H 描 … 1……、 目 J~I L ’~一… 1门前姿态 卡盘前姿态r1前取料 2】 穹: f 1 H H H 卜 )l到DE位IA检Y测延w时A(盯3—. 5INB】HI L 到DE位LA检Y测延W时A(3丌— H5 II H!些 因蜀兰堡I 1墨 ! 0 l 图l1 机器人上下料逻辑流程图 (3)机器人上下料程序编制。 根据运行轨迹示意图及机器人上下料逻辑流程 图,编制相对应的机器上下料控制程序如下: L01; MOVJ POOl,V010,Z0;//零点位置 //初始化 L02; SET OUT21 OFF; SET OUT23 OFF; ・l08・ 组合机床与自动化加工技术 第7期 SET 0UT40 0FF: SET 0UT41 0FF: SET 0UT24 0FF: SET 0UT26 0FF: SET 0UT16 0FF: SET OUTI8 OFF; LO3: //抓料(手爪1) SET OUT23 ON;//手爪1松开 SET 0UT21 0FF: WAlT IN26==ON;//等待松爪到位 MOVJ P002,V010,Z0: MOVL P003,V0l0.Z0: SET OUT23 OFF;//手爪1抓紧 SET OUT21 0N: WAIT IN24==ON;//等待抓紧到位 DELAY T003.0: MOVL P002 V010 ZO: MOVJ P00l VOlO Z0: //下料(半成品,用手爪2) SET OUT41 ON;//手抓2松开 SET 0UT40 OFF: WAIT IN41=:ON;//等待松爪到位 WAIT IN16=:ON;等待机床准备完成 SET OUT26 ON;//打开安全门 SET OUT24 OFF; MOVJ P004 V010 Z0: WAIT IN20==ON;等待开门到位 MOVJ P005 V010 Z0: MOVJ P006 ̄010 ZO; MOVL PO07 V010 ZO: SET OUT41 OFF;//手爪2抓紧 SET 0UT40 ON: WAIT IN40=:ON;//等待抓紧到位 DELAY T003.0: WAIT IN29==ON: //确保此时卡盘是卡紧的 SET OUT18 ON: WAIT IN31==ON;//卡盘松开 SET OUT18 OFF; M0VL P006 V010 Z0: M0VJ P0O5 V010 Z0: MOVJ P008 V010 Z0: //手爪换位//上料(手爪1) MOVJ P009 VO10 Z0: M0VL P010 V010 Z0: SET OUT18 ON; WAIT IN29==ON: //卡盘卡紧 SET OUT18 OFF; MOVL PO09 VO1O ZO: M0VL P0l1 VOIO Z0: M0VL P012 V010 Z0; SET OUT24 ON; //安全门关闭并启动车床 SET OUT26 OFF; WAIT IN22::ON: SET OUTI6 ON: DELAY TOO1.0: SET OUT16 OFF: //放料(手爪2) MOVJ POl3 VOIO ZO: M0VL P014 V0l0 Z0: SET OUT41 ON; //手爪2松开 SET OUT40 OFF: WAIT IN41:=ON: //等待松爪到位 MOVL P013 V010 Z0; MOVJ P00l V010 Z0: //回零点 GOTO L02; 3.3组合应用实例工艺流程 综上所述,总结工业机器人上下料技术及数控 车床加工技术组合应用工艺流程如下框图12所示。 图12 组合应用工艺流程图 4 结束语 随着工业自动化发展中对无人化和降低工人劳 动强度的要求,模块化自动上下料柔性制造机构作 为数控机床(特别是柔性车削中心、加工中心、车铣 中心)的基础和辅助部件越来越受到机床制造商和 用户的重视,该部件实际上是数控机床中一个典型 点位控制机床的延伸和发展,对工件输送的速度要 求高和定位准确,特别是速度要求较高,必须符合主 机的工作节拍要求。本上下料机构配备在数控车床 上,实现轴类零件堆垛的上料和下料。该技术的研 发,集通讯、气动、传感器检测、机械机构、数控功能 于一体,有机组合了机器人与数控机床的功能,简化 了数控机床操作模式,提高了数控机床的操作安全 性,降低了工人的劳动强度,工件的上下料及自动加 工连接紧密,因而大大提高了工作效率,具有较好的 推广价值。