法兰盘柔性生产线的机器人搬运轨迹规划及末端执行器设计

绪论1.1研究背景随着科技的进步，制造业间的竞争变得愈加激烈，制造商们只有迅速的（缩短设计周期和生产周期）设计出符合人们所要求的产品，才能在如今的市场环境里抢得优势。现如今法兰盘已广泛得被应用到各个领域中。而传统法兰盘的加工工艺一般为：钻孔、粗车、半精车、精车、粗铣、精铣、钻孔、磨。目前，国内法兰盘的机械加工基本都是利用人工进行机床上料和下料的工作，这虽然在品种单一、小批量的情况下是极其适合的。但是，现今各个应用行业对于零部件的精度、质量，大都提出了较为严苛的制作要求，这一点在法兰盘的机械加工过程中表现得更为明显[1]。传统法兰盘的加工工艺不但需要多种机械加工机床、工具和高水平的技术工人，重要的是其生产周期长，因此很难快速响应多变的市场。而且使用人工上、下料工作，有很大的不足和缺点：（1）使用人工上、下料的产品质量易受到人为方面的制约因素。（2）不能满足如今法兰盘多品种、小批量、高质量的生产需求。（3）人工操作的劳动强度太大，可能产生安全事故，人工效率低下，导致人工成本增加。柔性自动化系统就是为了提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，最终使中小批量生产能与大批量生产抗衡。针对加工法兰盘其应用优势具体如下:（1）设备利用率高：柔性生产线中多台机床共同作业比单台机床加工法兰盘的产量更多。（2）在制品减少80%左右：减少了法兰盘半成品的库存占用量。（3）生产能力相对稳定：自动加工系统由一台或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力[2]。（4）产品质量高：法兰盘在加工过程中，避免多次定位，装卸一次完成，加工精度高，加工形式稳定[2]。（5）运行灵活：柔性生产线的查验、装卡与维持护理任务可以在早班结束，中晚班可以在没有人看管下自行出产[2]。（6）产品应变能力大：刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要[2]。现如今工业机器人已被广泛应用到工业自动化生产线上，不仅提高了生产效率，同时也提高了产品质量。日本KAWASAKI公司、瑞典ABB公司、德国KUKA公司、美国AdeptTechnology公司及意大利COMAU公司等是国际上著名的工业机器人制造商，其产品广泛应用于自动化生产线。搬运机器人在满足生产节拍的前提下，用来将加工零件取放、上料、下料、换料、零件的翻转与移动等，不仅能节约人工成本，还能提高生产效率。不仅适用于多品种、小批量、高质量小型零件的加工制造，还具备定位更加精准、减少机床刀具磨损、生产的产品质量更加稳定、柔性度高、效率更高等一系列特点。将六轴搬运机器人应用于自动化生产线，不仅能保证生产的柔性，且其提高了生产批量大、小型零件的效益，这都是具有研究意义的。1.2国内外研究现状2011年6月，美国启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”(简称AMP计划)其中一部分就是由美国国家科学基金会(NSF)、国家航空航天局(NASA)、国立卫生健康研究院(NIH)和农业部将共同投入7000万美元支持新一代机器人的研发；2013年，德国实施“工业4.0”战略。日本大力发展协同式机器人、无人化工厂。2016年，人工智能机器人AlphaGo打败李世石。这些都象征着全球已经快速进入智能制造时代。2013年中国工信部发布《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》，要在2020年形成较为完善的工业机器人产业体系，机器人密度(每万名员工使用机器人台数)达到100以上，工业机器人装机量将达到100万台[3]。目前,工业机器人在国际上广泛应用到汽车、电子、机械、食品、医药、纺织等行业,中国工业机器人多应用于汽车与电子信息产业,对制造业生产率的提升起着重要作用[3]。目前来说，FMS（柔性制造系统）所需完成的作业内容不断扩大，由初期简单的机械加工逐步向装配、焊接、校验和板材加工甚至铸锻等综合性的领域发展。另外，对FMS、计算机辅助设计和辅助制造技术进行有机结合，向自动化制造工厂方向发展。随着生产加工越来越特殊化、柔性化、专业化，搬运机器人柔性生产线的生产效率、生产智能性、生产多适应性以及生产柔性化大多提出了更高的要求。搬运机器人柔性生产线，在正式投入使用的前期，需要对系统集成和控制方法进行大量的研究和调试工作。对于搬运机器人柔性生产线，国内外现有的研究主要基于理论研究和仿真验证，但在实际生产线平台上模拟、研究的较少[4]。传统的法兰盘加工不具备柔性加工的特点，运用搬运机器人柔性生产线加工法兰盘，不仅仅是提高了法兰盘的生产效率，弥补了手工加工的不足，还对我国的智能制造领域有一定的帮助，这对于我国制造业的发展是非常有意义的。1.3研究方法及技术路线本文采用搬运机器人柔性生产线加工法兰盘零件，以法兰盘为加工载体，设计一种法兰盘柔性生产线的搬运装置，主要针对现有的工业机器人进行末端执行器的设计、信号接收配置、参数设置、程序编写（上料、下料、换料等），使工业机器人实现法兰盘的自动上下料、加工等功能[4]。（1）研究内容熟悉操作华中数控智能制造单元；对所加工的法兰盘进行工艺规划；工业机器人末端夹持装置的设计；智能制造单元中六轴工业机器人上下料的安全路线规划；熟悉六轴工业机器人编程，编写机器人搬运轨迹；熟悉工业机器人的应用，能安装调试设计的机器人末端夹持装置；（2）研究方法本文的主要研究方法：运用现有的华中智能制造单元操作平台进行学习、操作；通过实践总结，查阅相关的资料，对所加工的法兰盘进行工艺分析，比较之前的加工方式，进行适应本套生产线的工艺规划；针对所加工的法兰盘，运用UG或SOLIDWORKS软件对工业机器人进行末端夹持装置的设计及绘图；实际测量现有的智能制造单元的产品尺寸，对法兰盘上下料的路线进行安全规划；实际操作智能制造，运用现有的六轴工业机器人进行编程学习并且对该生产线内法兰盘的上下料、搬运路线进行示教编程；针对现有的六轴工业机器人进行系统性学习，将设计出的末端夹持装置进行安装调试。1.4本章小结本章主要阐述了法兰盘的应用情况及传统法兰盘的加工工艺已不适应现如今快速发展的制造业，介绍了柔性生产线与搬运机器人是制造业发展的趋势，对设计的装置进行国内外的研究现状进行归纳并且针对该装置进行详细的研究方法及技术路线计划。

机器人上下料流程设计2.1法兰盘加工工艺设计（原加工工艺）本文设计的法兰盘柔性化生产线的搬运装置是以一种法兰盘为加工载体，针对法兰盘的加工过程进行机器人上下料流程的设计。法兰盘零件图如图2-1所示。图2-1加工零件图在搬运机器人柔性生产线加工之前已经对要加工的零件进行了调质处理和粗加工，结合柔性制造单元这一智能加工的理念，对零件进行粗精加工。针对该套柔性生产线的加工内容制定出该零件的加工工序如表2-1、2-2、2-3所示，加工工艺过程卡见附录中附表1所示。

表2-1车床1工序表泉州信息工程学院机械加工工序卡片产品名称零件名称零件图号法兰盘法兰盘材料材料名称毛坯种类毛坯尺寸零件重每台件数卡片编号第页HT150端盖类Φ1261.361①共页加工工序图工序号30工序名车床加工设备华中数控车床夹具气动三爪定心卡盘工量具红外线测量仪刀具金鹭外圆车刀、内圆车刀工步工步内容及要求主轴转速(r/min)吃刀深度(mm)进给量(mm/r)切削速度(m/min)走刀次数10以120外圆面定位，粗车外圆70端面以及外圆。20030.854.5120以120外圆面定位，粗车60H7内圆。5002.20.447130以120外圆面定位，半精车30H7内圆。5000.30.1547140以120外圆面定位，半精车62内圆。50010.1547150走刀检测加工精度，确定工件是否再加工或者报废。0.4工艺编制学号审定会签工时定额校核执行时间批准表2-2车床2工序表泉州信息工程学院机械加工工序卡片产品名称零件名称零件图号法兰盘法兰盘材料材料名称毛坯种类毛坯尺寸零件重每台件数卡片编号第页HT150端盖类Φ1261.211②共页加工工序图工序号40工序名车床加工设备华中数控车床夹具气动三爪定心卡盘工量具红外线测量仪刀具金鹭外圆车刀、内圆车刀工步工步内容及要求主轴转速(r/min)吃刀深度(mm)进给量(mm/r)切削速度(m/min)走刀次数10以60H7内圆面定位，粗车外圆70k6端面以及外圆。2002.50.854.5120以60H7内圆面定位，半精车70k6端以及外圆粗车外圆，倒角C2。2000.50.554.5130走刀检测加工精度，确定工件是否再加工或者报废。0.8140以60H7内圆面定位，粗车30H7内圆。5002.20.447150以60H7内圆面定位，半精车30H7内圆。5000.30.1547160走刀检测加工精度，确定工件是否再加工或者报废。 0.41工艺编制学号审定会签工时定额校核执行时间批准表2-3铣床工序表泉州信息工程学院机械加工工序卡片产品名称零件名称零件图号法兰盘法兰盘材料材料名称毛坯种类毛坯尺寸零件重每台件数卡片编号第页HT150端盖类Φ1261.131③共页加工工序图工序号50工序名铣床加工设备华中数控铣床夹具专用气动夹具工量具刀具硬质合金立铣刀、钻刀、锪刀工步工步内容及要求主轴转速(r/min)吃刀深度(mm)进给量(mm/r)切削速度(m/min)走刀次数10以半精车后的30H7内圆定位，用3钻刀钻一个深度为2~3mm的孔，用于钻孔定位。50030.40.5120以半精车后的30H7内圆定位，钻3个11的通孔。781110.450.45130以半精车后的30H7内圆定位，锪3个深度为10mm的18孔。191100.80.18140以半精车后的30H7内圆及1个11孔进行定位，粗铣30的圆弧。200010.11201工艺编制学号审定会签工时定额校核执行时间批准首先在数控车床1上进行Ф70的外圆、左端面及Ф60H7内孔的粗加工，然后对Ф60H7内孔及Ф62内孔进行半精车加工。然后在数控车床2上先进行Ф70K6的外圆、端面和Ф120的外圆、右端面的粗加工，然后进行Ф70K6、Ф120外圆的半精车加工，对Ф30H7内孔进行粗车、半精车。上述数控车床1、2的加工工序图如图2-2所示。最后在数控铣床进行定心钻，钻Ф11的螺栓通孔，再进行Ф18的钻孔加工。上述数控铣床的加工工序图如图2-3所示。图2-2数控车床1、2的加工工序图图2-3华中数控铣床的加工工序图根据上述设计的法兰盘的加工工艺，将使用两台车床、一台铣床，对法兰盘进行自动化加工。本设计根据法兰盘的工艺流程及机床使用情况将整体的柔性生产线搬运机器人的工作流程进行设计，如下图2-4所示。图2-4柔性生产线搬运机器人的工作流程2.2柔性生产线搬运机器人的系统布局根据设计的柔性生产线搬运机器人的工作流程，考虑到将使用多台机床进行加工，为尽量减少整套设备的搬运辅助时间，实现法兰盘的自动化加工，设计并绘制出紧凑有致的柔性生产线搬运机器人的系统布局如下图2-5所示。图2-5柔性生产线搬运机器人的系统布局柔性生产线搬运机器人系统的所有设备的组成由下表2-3所示。表2-3设备清单序号设备名称数量单位备注1数控车床2台2加工中心（三轴）1台3在线测量装置3套4加工中心夹具1个5车床夹具2套7工业机器人及搬运装置1台8工业机器人导轨1套9生熟料仓1套10翻转台1台11中央电气控制系统1套12MES系统（包含部署计算机）1套13安全防护系统1套2.2.1数控车床（1）数控车床数控车床有以太网接口；提供自动化接口，能实现数控车床的远程启动、程序可上传到车床内存，能获取车床的状态信息、机床的模式、主轴的位置信息；工件回转直径360mm，自动液压卡盘；留有与主控系统的I/O接口。图2-6CK6140数控车床简图2.2.2数控加工中心（1）加工中心有以太网接口；（2）提供自动化接口，能实现加工中心的远程启动、程序可上传到机床内存，能获取机床的状态信息、机床的模式、主轴的位置信息；（3）加工中心运动范围X：600mm，Y：500mm，机床夹具采用气动平口钳和零点装置，能在线测量，检测软硬件：汉默欧；（4）加工中心自动化夹具和自动门的控制与反馈信号可以直接接入机床自身的I/O模块，并且由机床自身来控制，其状态可以通过网络反馈给工控机。图2-7XK713数控加工中心简图2.2.3机器人导轨（1）导轨总长度：5m；（2）最快行走速度：大于1.5m/s；（3）机器人滑板承重：大于500kg;（4）重复定位精度：高于±0.2mm。图2-8机器人导轨简图2.2.4电气控制系统（1）电气架构:中央控制系统包含两部分。第一部分是PLC电气控制及I/O通讯系统，主要负责周边设备的及机器人的I/O通讯控制。第二部分是由工控机构成，主要负责系统逻辑控制及数据处理。如图2-9所示。（2）元件配置要求：总控PLC采用西门子S7-1200系列；工控机采用台式电脑：联想天逸510Pro；配备网络集线器等用于组织控制系统网络的设备，接口充分；图2-9电气控制系统2.3本章小结本章主要阐述了法兰盘的加工工序，根基法兰盘的加工流程，进行对柔性生产线搬运装置的具体布局做了介绍，对整套设备列出了设备清单。

机器人末端执行器设计与建模本文针对的机器人是HSR-JR620L-C20机器人，其结构紧凑，运动速度快，具有较高重复定位精度和轨迹跟踪精度。系统提供友好的人机对话窗口，操作界面简洁直观，能够实现高性能的动作控制和时序控制。广泛运用于激光切割、机床上下料、打磨等行业。如图3-1HSR-JR620L-C20所示。图3-1HSR-JR620L-C20机器人3.1末端执行器结构设计3.1.1末端执行器气缸选型本设计基于HSR-JR650机器人进行对其末端执行器的设计，本次加工的法兰盘毛坯材料选用HT150,质量为1.06kg，该材料具有较高的强度、耐磨性、耐热性及减震性。根据夹持工件的情况初步选用平行开闭三爪气缸，该三爪气缸夹持工件的受力情况如下图3-2所示。图3-2三爪气缸夹持受力点由此可知工件不掉落的条件应该满足：

n×μF>mg即：F>mgn×μ如上图所示夹持工件，在普通搬运状态所产生的冲击状态下，取安全系数a=4时，夹持力为被夹持力对象质量的10~20倍以上。所以安全系数为a时F=mgn×μ×a当摩擦系数为0.2时，夹持力约为被夹持对象的10倍；当摩擦系数为0.1时，夹持力约为被夹持对象的20倍。n：夹爪数F：夹持力（N）μ：配件与工件之间的摩擦系数m：工件质量g:重力加速度（=9.8m/s2）所以由公式(3-3)得：F=气缸驱动负载(活塞杆伸出)：F=πD2P气缸驱动负载(活塞杆缩回)：F=π（一般简化计算:D=4FπPηF气缸承受的负载，NP气缸使用压力，MPaη气缸的负载率，%气缸的负载率：是指气缸的实际负载力F与理论输出力F0之比。负载力是选择气缸的重要因素。负载情况不同，作用在活塞轴上的实际负载力也不同。气缸的实际负载是由工况所决定的，若确定了负载率η也就能确定气缸的理论出力，负载率η的选取与气缸的负载性能及气缸的运动速度有关如下表3-1所示。表3-1气缸负载及运动速度负载的运动状态静负载如夹紧、低速压铆动载荷气缸速度＜100mm/s气缸速度100~500mm/s气缸速度＞500mm/s负载率η≤80％≤65％≤50％≤30％根据负载情况确定需要的理论输出力F0=F所以由公式(3-6)（3-7）得：D=4所以根据下图3-3气缸理论输出力选用的三爪气缸的缸径为40mm。图3-3气缸理论输出力针对缸径为40mm的三爪气缸本装置对比国内外的气缸厂家，考虑到夹持的安全性、稳定性及效率，将采用日本SMC公司的气缸产品。基于上述的计算得出的结果，现将采用SMC公司的气爪选型程序（如下图3-4所示）进行标准选型。图3-4气爪选型程序根据设计需求，本次选用平行开闭型、三爪、外径夹持的三爪气缸。输入设计所需的气缸条件，本系统推荐使用MHS3-40D如下图3-5SMC系列选型结果。图3-5SMC系列选型结果3.1.2连接板的设计与建模设计思路：该连接板的作用为连接机器人末端法兰盘与两个三爪气缸装置，由于HSR-JR650机器人能承受的外部负载为20kg,所以连接板的重量不易过高，且在搬运过程中能实现较好的旋转（不干涉机器人手爪对工件的夹持），运用SOLIDWORKS设计建模如下图3-6所示。图3-6气缸与法兰盘连接板建模为满足负载要求，该连接板为铝合金制成的，现通过SOLIDWORKS的特征赋值进行质量属性的计算得出如下图3-7所示。图3-7质量属性气缸与法兰盘连接板的质量为1222.004g，三爪气缸质量为351g，所以两个气缸与连接板的总质量为1924.004g远低于机器人末端最大负载20kg，满足负载要求。3.1.3末端执行器的手指设计与建模由3.1.1节的气缸选型确定了夹持装置的夹持方式且法兰盘夹持点如图3-8中箭头所示。图3-8法兰盘被夹持点末端执行器手指设计思路：该手指需配合三爪气缸夹持法兰盘，考虑到机器人末端负载有限且夹持点受限，三爪气缸的开闭行程为8mm，夹持外径虽足安全余量却不够，因此设计的手指需为小型，开闭直径足够夹持Ф65-Ф75直径的法兰盘。设计建模如下图3-9所示。图3-9三爪气缸配套手指3.2末端执行器的气动回路设计3.2.1气动电磁阀选型末端执行器使用的三爪气缸进行工件上下料及搬运的夹持动作，需配合相对应的气路连接功能，气源气压需通过空气减压阀、过滤器、油雾器进行对气源的稳压，气源的清洁以及润滑运动部件，利用三通连接管分出2条气路，分别控制两个三爪气缸的开闭动作。由于机器人的手爪1手爪2分别独立进行夹紧、松开动作，所以需要两个电磁阀对其进行气路控制。根据所需流量及驱动形式选定电磁阀系列。根据气缸缸径、行程、运行速度及使用压力计算出所需的耗气量[6]：Q=0.462×D2×Q:气缸的最大耗气量，L/minD:缸径，cmVmax:气缸的最大速度，mm/sP:使用压力，Mpa由（3-8）求得：Q=0.462根据所需耗气量计算出CV值或SCV=QCV:流通能力Q：自由流量，L/minP2:移动负载所需要的压力，bar∆P:压力降，barS:有效流通面积由（3-9）求得：CV根据下图3-10选出阀门的有效面积与工作气缸相吻合的电磁阀系列及型号。图3-10电磁阀系列及型号根据下表的控制内容，由表3-2中选出电磁阀的机能：表3-2电磁阀的机能机能控制内容符号2位置单线圈断电后，恢复原来位置2位置双线圈某一侧供电时，则阀芯切换至该侧位置，若断电时能保持断电时的位置。3位（中位封闭）双线圈两侧同时不供电时，供气口及气缸口同时封堵，气缸内的压力便不能排放出来。3位（中位排气）双线圈两侧同时不供电时，供气口被封堵从气缸口向大气排放。3位（中位加压）双线圈两侧同时不供电时，供气口向两个气缸口通气。机器人手爪的动作为夹紧、松开，夹持工件时应防止其掉落，即使断电时手爪也应保持原来的状态，所以选择使用3位（中位封闭）双线圈电磁阀。本文选择的气缸是双作用气缸，故电磁阀应选择3位5通电磁阀。根据末端执行器的位置及设计结构将选取悬挂式小型的插座式电磁阀。通过下表3-3选择出适当的导线引出方式为SY系列M形插座式。表3-3导线引出方式系列导线引出方式直接出线式L或M形插座式DIN形插座式SY系列SYJ系列VQ系列VQD系列VQZ系列工业机器人所用的电压为交流220V，考虑到末端执行器会与人接触故选用安全电压24V其根据下表3-4选择使用电流及电压为AC（交流）电压为24V。表3-4电流电压电流额种类电压标准其它AC（交流）110V220V24V,48V,100V,200V,其它DC（直流）24V6V,12V,48V,其它根据SMC公司所有的系列型号，故本设计的电磁阀选用SY3320DC24VMNLE01FF2型号。3.2.2末端执行器的部分气动回路气源管路经过气动三联件的稳压、过滤、润滑后，用三通气管通过SMC的三位五通中封电磁阀进行气路控制后，两个电磁阀分别用管连接在两个双作用三爪气缸的进气孔和出气孔上进行三爪气缸的张开闭合控制，选用的电磁阀的中位能起到断电保持的作用。当手爪1需要张开、闭合时，PLC控制机器人上的三位五通电磁阀1的得、失电；当手爪2需要张开、闭合时，PLC控制机器人上的三位五通电磁阀1的得、失电。如图3-11所示。图3-11三爪气缸简易气路图3.3末端执行器与机器人的装配经过各部分主要零件的三维建模完成后，将进行零件的三维装配。本次零件装配利用SOLIDWORKS软件进行零件的三维装配。打开第七轴机器人导轨（含电机），以此为固定点，将其他零件模型依次安装至固定点上，通过插入零部件依次添加机器人底座（含电机）、转座（含电机）、肘部（含电机）、大臂（含电机）、小臂（含电机）、腕部（含电机）、七轴法兰、法兰与气缸连接板、三爪气缸、末端执行器手指，对其进行约束配合，不过不能过约束配合，或将原本能动的零件固定死。结果如图3-12所示。图3-12机器人装配图

机器人编程及路线规划以2.2节的柔性生产线搬运机器人的系统布局为基础，设计出机器人上下料的编程，由于3台机床上下料程序结构和逻辑控制相似，所以在此列出车床1的运行程序，该控制流程如下图4-1所示。图4-1机器人上下料控制流程图4.1机器人编程4.1.1机器人工作流程法兰盘加工需经过车床1的左面外圆、孔、密封圈、端面的粗精车，车床2的右面端面、外圆、倒角、内孔、退刀槽的粗精车，铣床的圆弧、沉头孔的粗精铣，而机器人夹持工件翻转受限所以需要翻转台配合进行工件的翻面，每次进入机床前都会有机床通过PLC发送机床允许进入的PLC信号，机器人才能将工件安装至机床卡盘上。机器人的工作流程如图4-2所示。图4-2机器人工作流程4.2机器人的路线规划仿真基于2.2节柔性生产线搬运机器人的系统布局，根据编程思路，做出生产节拍紧凑有序安全的搬运机器人路线规划。将已设计的模型装配后，布置好实际的机床位置，运用SOLIDWORKS进行模拟动画仿真。第一步，进行料仓取料需将机器人第七轴移动到料仓前ER[1]，机器人旋转轴1将手爪1移动至方便夹取工件的料仓过渡点JR[2]，然后需要一个手爪1的精确抓取点LR[1].第二步，车床1的上料同样需要将机器人第七轴移动至车床1前ER[2]，机器人旋转轴1将手爪1移动至能安全进入车床的外部点JR[3]，然后旋转机器人手爪1至方便进入车床1上料的过渡点JR[4]，通过计算语句，将手爪1移动至车床1卡盘前端100mm处，最后将机器人移动至取放料精确点LR[3]进行取放动作。接下去的步骤与第一、二步相似，去机床先移动第七轴，然后移动轴1将机器人面向机床（外部过渡点），旋转机器人手爪摆出安全方便进入机床内部的过渡点，移动至取放点外部一定的安全距离，机器人手爪缓慢移动至取放精确点，配合卡盘执行机器人手爪的夹取或松开动作，确定工件不掉落缓慢退至取放点外部一定的安全距离，再退至过渡点，外部过渡点，最后机器人回原位。根据仿真动画，结合实际生产线的要求，为实现机器人的安全路线规划，现将程序内所必须经过的点位进行机器人寄存器点位设置如下表4-1所示。表4-1机器人点位表位置机床生料仓熟料仓车床1车床2铣床废料仓翻转台第七轴点位ER[1]ER[2]ER[3]ER[4]ER[5]ER[6]机床外部点JR[3]JR[5]JR[7]机床取料过渡点JR[2]JR[4]JR[6]JR[8]JR[9]JR[10]机床爪1取放料点LR[1]LR[3]LR[4]LR[5]LR[6]LR[7]机床爪2取放料点LR[2]LR[13]LR[14]LR[15]LR[17]计算点位LR[100]=#{0,0,50,0,0,0}LR[101]=#{0,100,0,0,0,0}LR[102]=#{100,0,0,0,0,0}LR[103]=#{0,0,80,0,0,0}4.2.1机器人主要控制程序的编写结合机器人的工作流程及动画仿真，通过对实际的智能制造单元的考察进行机器人的程序编程，其逻辑思路如流程图4-3所示。图4-3程序逻辑流程图经过前几章的设计，不断的对编写的机器人程序进行修改及相应设备的试运行，编写出一套完整的华数机器人程序（见附表4）。其中重要的例行程序有：主程序ZHU，初始化程序CSH，车1上料程序C1S，车1换料程序C1H，车2上料程序C2S，车2换料程序C2H，铣上料程序XS，铣换料程序XH，生料仓取料程序QL，熟料仓放料程序SFL，翻转台程序FZT，废料仓程序FLC，PLC与机器人相对应的ROB编程信号见附表5所示。(1)主程序机器人的控制程序从主程序开始，其主要负责程序的顺序及子程序的调用。'(ADDYOURCOMMON/COMMONSHAREDVARIABLEHERE)DIMSHAREDTEMPASLONGDIMSHAREDOUT06ASNOTE"请在安全位启动机器人"PROGRAM'程序'(ADDYOURDIMVARIABLEHERE)WITHROBOT'华数机器人ATTACHROBOT'运行机器人ATTACHEXT_AXES'运行机器人第七轴CALLCSH'调用初始化程序WHILETRUE'(WRITEYOURCODEHERE)TEMP=0'安全位标志为复位CALLWAITUNTIL(D_OUT[40],ON,2000,TEMP)IFTEMP=1THEN'当不在安全位上，机器人提示THROWOUT06'提示错误指令ENDIFCALLWAIT(D_OUT[40],ON)'确认安全位到位TEMP=0'安全位标志为复位'进料仓取料 WHILEIR[15]=1ORIR[16]=1ORIR[17]=1'判断各机床是否准备好IFIR[18]=0ANDIR[19]=0THEN'爪1、抓2无料D_OUT[2]=OFF'爪1夹紧关闭D_OUT[3]=ON'爪1松开开启D_OUT[4]=OFF'爪2夹紧关闭D_OUT[5]=ON'爪2松开开启CALLWAIT(D_IN[3],ON)'等待爪1松开指令开启CALLQL'调用生料仓取料程序ENDIFSLEEP100ENDWHILE'进车1上料或者进车1换料WHILEIR[15]=0ANDIR[18]=1'车1未准备好等待SLEEP100ENDWHILEIFIR[15]=1ANDIR[18]=1THEN'车1准备好且爪1有料IFIR[11]=0THEN'车1卡盘无料CALLC1S'调用车1上料程序CALLQL'调用生料仓取料程序SLEEP100ENDIFELSE'车1卡盘有料CALLC1H'调用车1换料程序SLEEP100ENDELSEENDIF'进废料仓或者进翻转台 IFIR[18]=1ANDIR[15]=2THEN'车1加工不合格且爪1有料CALLFLC'调用废料仓程序SLEEP100CALLQL'调用生料仓取料程序SLEEP100ENDIFIFIR[18]=1ANDIR[15]=3THEN'车1加工合格且爪1有料CALLFZT'翻转台SLEEP100'进车2上料或者进车1换料IFIR[16]=0THEN'车2未准备好CALLQL'取料SLEEP100ENDIFENDIFIFIR[16]=1THEN'车2准备好信号IFIR[12]=0THEN'车2卡盘无料CALLC2S'车2上子程序CALLQLSLEEP100ENDIFIFIR[12]=1THEN'车2卡盘有料CALLC2H'车2换子程序SLEEP100ENDIFSLEEP100ENDIF'进废料仓或者进翻转台IFIR[18]=1ANDIR[16]=2THEN'爪1有料且加工不合格CALLFLC'废料仓SLEEP100CALLQL'取料SLEEP100ENDIFIFIR[18]=1ANDIR[16]=3THEN'爪1有料且加工合格CALLFZT'翻转台SLEEP100WHILEIR[17]=0'铣床未准备好SLEEP100ENDWHILEIFIR[17]=1THEN'铣床准备好信号IFIR[13]=0THEN'铣床卡盘无料CALLXS'铣上CALLQLSLEEP100ENDIFIFIR[13]=1THEN'铣床卡盘有料CALLXH'铣换SLEEP100ENDIFSLEEP100ENDIFIFIR[18]=1ANDIR[17]=2THEN'爪1有料且加工不合格CALLFLC'废料仓SLEEP100ENDIFIFIR[18]=1ANDIR[17]=3THEN'爪1有料且加工合格CALLSLC'熟料仓SLEEP100ENDIFENDIFSLEEP100ENDWHILE'结束循环语句DETACHROBOT'关闭机器人DETACHEXT_AXES'关闭第七轴ENDWITHENDPROGRAM(2)初始化程序CSH将机器人发送给PLC的信号清零，并把调用的变量值初始化，机器人回原点PUBLICSUBQXH'(WRITEYOURCODEHERE)IR[11]=0'车1卡盘无料IR[12]=0'车2卡盘无料IR[13]=0'铣床卡盘无料IR[15]=1'车床1准备好IR[16]=1'车床2准备好IR[17]=1'铣床准备好IR[18]=0'爪1无料IR[19]=0'爪2无料D_OUT[2]=OFF'BOM编程信号（机器人请求PLC信号）D_OUT[3]=OFFD_OUT[3]=OND_OUT[4]=OFFD_OUT[5]=OFFD_OUT[5]=OND_OUT[6]=OFFD_OUT[7]=OFFD_OUT[8]=OFFD_OUT[25]=OFFD_OUT[26]=OFFD_OUT[27]=OFFD_OUT[28]=OFFD_OUT[29]=OFFD_OUT[30]=OFFD_OUT[31]=OFFD_OUT[32]=OFFD_OUT[33]=OFFD_OUT[34]=OFFD_OUT[35]=OFFD_OUT[36]=OFFD_OUT[37]=OFFD_OUT[38]=OFFD_OUT[39]=OFFD_OUT[40]=OFFD_OUT[41]=OFFD_OUT[42]=OFFD_OUT[43]=OFFD_OUT[44]=OFFD_OUT[45]=OFFD_OUT[46]=OFFD_OUT[47]=OFFD_OUT[48]=OFFD_OUT[49]=OFFD_OUT[50]=OFFD_OUT[51]=OFFD_OUT[52]=OFFD_OUT[53]=OFFD_OUT[54]=OFFD_OUT[55]=OFF'设备号响应D_OUT[25]=OFF'车床1执行反馈D_OUT[26]=OFF'钻攻中心执行反馈D_OUT[31]=OFF'车床2执行反馈MOVEROBOTJR[1]'机器人回原点ENDSUB(3)车床1换料程序运用设计的末端执行器进行工件在车床1内的安全换料程序，爪2负责卸下车床1上已加工好的工件，爪2负责将生料仓搬运来的毛坯件安装至车床1的卡盘上。PUBLICSUBC1H'车床1换料CALLWAIT(IR[15],1)'等待机器人可对车床上料信号D_OUT[37]=ON'开启机器人对车床干涉的信号MOVEEXT_AXESER[3]'移动第七轴至ER[3]DELAYEXT_AXES100'等待第七轴0.1SMOVEROBOTJR[5]'旋转机器人至车床1外部MOVEROBOTJR[6]'旋转机器人至车床1外部过渡点MOVESROBOTLR[13]+LR[101]'直线移动机器人手爪2至车床卡盘前端MOVESROBOTLR[13]'直线移动机器人手爪2至取料点DELAYROBOT100'等待机器人0.1SD_OUT[4]=ON'夹爪2夹紧D_OUT[5]=OFF'夹爪2松开CALLWAIT(D_IN[4],ON)'等待夹爪2夹紧到位的信号DELAYROBOT100'等待0.1SD_OUT[35]=ON'开启机器人请求车床1卡盘松开的信号CALLWAIT(D_IN[35],ON)'等待车床2卡盘松开到位的信号D_OUT[35]=OFF'关掉机器人请求车床1卡盘松开的信号SLEEP3000'延时3SDELAYROBOT100'等待0.1SMOVESROBOTLR[13]+LR[101]'直线移动机器人手爪2至卡盘处前端MOVESROBOTLR[3]+LR[101]'直线移动机器人手爪1至卡盘处前端MOVESROBOTLR[3]'直线移动机器人手爪1至放料点DELAYROBOT100'等待机器人0.1SD_OUT[36]=ON'开启机器人请求车床1卡盘松开的信号CALLWAIT(D_IN[36],ON)'等待车床1卡盘松开到位的信号D_OUT[36]=OFF'关掉机器人请求车床1卡盘松开的信号D_OUT[2]=OFF'夹爪1夹紧D_OUT[3]=ON'夹爪1松开CALLWAIT(D_IN[3],ON)'等待夹爪1松开到位的信号DELAYROBOT100'等待0.1SMOVESROBOTLR[12]+LR[101]SLEEP3000'延时3SDELAYROBOT100MOVEROBOTJR[6]'移动机器人至车床1外部过渡点MOVEROBOTJR[5]'旋转机器人的爪至车床1外部MOVEROBOTJR[1]'移动机器人至原点（安全点）D_OUT[37]=OFF'关掉机器人对车床1干涉信号D_OUT[34]=ON'开启机器人对车床1下料完成的信号CALLWAIT(D_IN[40],ON)'等待上料完成应答的信号D_OUT[34]=OFF'关掉机器人对车床1下料完成的信号ENDSUB上述编程中所需的编码表如表4-2所示：表4-2编码表类型编码值IR值定义值定义值定义值定义PLC->机器人IR[11]0车1卡盘无料1车1卡盘有料PLC->机器人IR[12]0车2卡盘无料1车2卡盘有料PLC->机器人IR[13]0铣床卡盘无料1铣床卡盘有料PLC->机器人IR[15]0车1未准备好1车1准备好2车1加工不合格3车1加工合格PLC->机器人IR[16]0车2未准备好1车2准备好2车2加工不合格3车2加工合格PLC->机器人IR[17]0铣床未准备好1铣床准备好2铣床加工不合格3铣床加工合格PLC->机器人IR[18]0爪1无料1爪1有料PLC->机器人IR[19]0爪2无料1爪2无料

总结与展望5.1总结目前,工业机器人在国际上广泛应用到汽车、电子、机械、食品、医药、纺织等行业,它是当今国内外自动化应用技术的新生力军。随着科技的发展，制造业间的竞争变得愈加激烈；人工成本增加；零部件的精度、质量要求的提高；生产趋于柔性化生产；工业机器人的应用将是高端装备制造业发展的趋势所向，随着加工效率的逐渐提升，特制的柔性生产线的搬运装置将会被越来越多的制造厂投入到实际的生产中去。本设计的法兰盘柔性生产的搬运装置，针对法兰盘的加工工艺进行总的系统布局，通过I/O通讯与PLC电控系统建立联系，运用的三台机床能同时进行加工，且该搬运机器人能对三台机床进行不间断的上、下料动作，一个人就能操作的设备，大大节省了人工成本；机器高精度自动装夹，增加了加工精度；设备的有效利用，提升了生产效率；各设备互相配合又互不干扰，对操作工人的安全有所保障。其主要功能、优点总结如下：(1)操作工人进行机器人的对点后，运用同一套程序，之后就不用耗费任何时间，加工只需启动工作台，便可自动完成搬运、上料、下料、换料及法兰盘的一系列加工动作，无需多人守候，减少了制造厂对人工成本的投入。(2)工件的抓取利用搬运机器人的对点后进行抓取工作，机器人具有较高重复定位精度和轨迹跟踪精度，不会出现抓斜的现象等。(3)PLC电控系统与搬运机器人、机床、翻转台、料仓通过I/O通讯进行相互通信，程序逻辑严谨，不会出现不生产的情况。(4)搬运机器人控制灵活能够实现高性能的动作控制和时序控制，且手爪设计符合设计要求，即使断电时也能保证工件不会掉落的现象。(5)整套柔性生产搬运机器人的系统，对法兰盘的加工有更佳的柔性。本文所介绍的柔性生产线的搬运机器人夹持装置设计不仅涉及到了搬运机器人的电路控制、末端执行器气爪的气路控制、系统控制、搬运机器人编程设计、搬运机器人的安全路线规划仿真，其在实际生产过程中还有许多需要开发、完善的功能。5.2展望目前国内外加工法兰盘的手段很多，但都是为了提高其生产效率，本文设计的内容能极大的提高法兰盘的生产效率，增加制造产的经济收益，但是基于设计者的能力目前该设计还有功能有待开发及完善：(1)机器人的搬运装置可以增加快换装置，虽增加设计成本，但是其方便更换末端执行器手爪，且换个搬运装置就可以加工其它零件。(2)机器人末端执行器能一个适应多种不同零件，这样便可在生产不同的零件，提高了设备利用率。(3)机器人的搬运装置可以设计的更加灵活，无需翻转台便可进行工件的翻转，减少了搬运时间。

参考文献[1]梁骊龙.法兰盘机械加工工艺及工装设计探讨[J].现代盐化工,2018,45(01):66-67.[2]徐俊.YZ4102系列缸体柔性化加工技术研究[D].南京理工大学,2011.[3]李丫丫,潘安,彭永涛,杨文斌.工业机器人对省域制造业生产率的异质性影响[J].中国科技论坛,2018(06):121-126.[4]熊隽.IRB141