数控车床机器人自动上下料系统设计

数控车床机器人自动上下料系统设计摘要当前，许多小微企业的机床加工上下料还采用人工操作的方式，人工上下料存在人力成本高、劳动效率低等问题。本文以加工小型丝锥的机床为对象，设计了一款可替代人工、高效率、高精度的机床上下料机器人工作站。在分析产品特点及企业需求后，制定了机器人工作站总体设计方案。方案以机器人为作业系统主体，PLC为主控制器，配以工位器具及数控机床，实现机床上下料的自动化。本文确定工作站的技术要求后，完成了设备的选型，选用FANUC机器人为作业执行器，西门子PLC为核心控制器。完成了机器人末端执行器、工位器具及机床安全门的机械机构设计。完成控制系统的电气设计及程序设计，包括PLC输入/输出电路、以太网通讯、PLC控制程序、数控机床控制程序及工作站人机交互界面等等。最后编制机器人控制程序并规划运动轨迹，完成了机器人工作站运动轨迹与控制的仿真与验证。仿真结果表明，该机床上下料机器人工作站方案设计合理，生产节拍快，可实现高精度、高效率的工件上下料，其功能达到预期的要求。该机器人工作站可大大降低企业人工成本，提高生产效率。关键词：FANUC机器人；数控机床；可编程控制器(PLC)

目录TOC\o"1-3"\h\u32257第一章绪论 第一章绪论1.1研究背景及意义信息时代的来临彻底改变了人们的生活，各个领域都有不同程度的变化，充斥其带来的方便和快捷[1]。最显著的变化莫过于制造业，自动化的机器替代了手工，冗杂而又危险的工作由机器完成，既提高了效率，又保障了人员的安全。有的工厂甚至可以实现全自动化生产，只留少部分人参与产线的修理和维护，大大的减少了人力和财力的消耗，同时也给企业带来了利润的增长。信息与工业的不断融合，智能产业不断发展，工业机器人也随着时代的发展出现在大众视野。工业机器人用于工业中的焊接、搬运等简单的重复工作，但不限于此，随着智能化的发展，已经可以对其进行编程，完成更多复杂的工作，满足人们的各种要求。机床上下料机器人是目前最常见的工业机器人，主要承担工件上下料的工作，如何使机器人与机床之间更加高效、可靠的信息传递是机床上下料机器人的核心问题[2]。丝锥主要被应用于加工内螺纹，具有效率高、结构简单、使用方便等优点。而丝锥典型的生产过程也有很多，主要包括胚料切断、外形磨削、方尾磨削等等，从中可以看出，磨床的作用不容小觑，在丝锥加工的过程中，起着非常重要的作用[3]。就目前国内的情况来看，虽然有许多企业已经走上了自动化的道路，实现了自动化生产，保证企业的平稳发展。但是很多中小型加工企业依然没有加入智能化的行业中来，采用传统的方式，运用大量的人工进行生产和搬运，数控机床的上下料也是依靠人力，生产效率十分低下，而且增加许多不稳定因素[4]。数控机床的广泛应用，使得工件生产精度更高、速度更快、批量更大。机床上下料时，如果运用机器人来进行，就可以自动完成各项工作，能够节约人工成本，改善工作环境，加快整个工作的节奏。1.2国内外研究现状1.2.1国内外机器人的发展与应用现状纵观国外的机械制造行业，早就已经进入了智能化的时代，人工操作的影子已经很少见到，机器人被普遍应用于各种场合，各种工作都可以看见机器人的影子，都已成为常规操作，或者说是一种标配，存在于制造行业的各个角落。机器人的高速度和高精度的优点，被行业内高度认可，尤其是将工业机器人和机床设备组合起来应用，节省出大量的成本，结构紧凑不浪费，传送稳定，适应能力强，可靠性高且不易损坏[5]。发达国家早已将开发工业机器人作为未来的发展方向，并且朝着全面实现自动化生产的目标迈进。就国外的工业机器人发展情况而言，主要是致力于将不同的结构模块化，并且保证每一模块的可靠性，从而不影响整个结构的运行[6]。同时加强系统的网络化，伺服驱动技术的数字化，运用数据来进行系统的管理和升级。工业机器人的控制系统正在改变其发展方向，逐渐走上开放化的道路，减少其体积，运用集成化的器件，提升整个系统的耐用性能，保证系统能够稳定的运行[7]。同时还会在不同的部位使用大量的传感器，机器人依靠传感器进行决策和控制。比如焊接机器人，传感器主要用来确定速度、位置和加速度，精准掌握焊接需要的各种数据；而家庭机器人中多用视觉、听觉和触觉等传感器，完成复杂的工作。国内的机械制造行业并没有达到国外那么高水平的自动化，机床的上下料大都采用人工手动的方法，效率低下且危险性高，可控性较差[8]。对于某些中小企业来说，其总体发展比较单调，资金周转不够，短期内聘请人工是最合适的选择[9]。但是从长远发展的角度来看，现代社会已经逐步迈入智能化，机器替代人工已经是必然趋势，现代化的企业都向着智能化改革和发展，如果硬要走原来的路线，将无法满足现代企业的需求，势必被社会所逐渐淘汰[10]。1.2.2国内外上下料工业机器人的研究现状机床的上下料是一个重复、简单却要求很高的工作，不仅对精度有极高的要求，而且在定位方面也需要多加注意，如果上下料出现问题，将会影响整个后续工作的开展，生产出的产品质量也会大打折扣，无法得到满意的产品[11]。机床上下料机器人出现的时间较早，在生产实际中投入运用的时间也较长。刚开始时主要用来加工特定零件，和机床绑定在一起，没有独立的控制系统。随着技术的提升，科研团队研制出了机床上下料机器人，专门用于机床的上下料，有独自的控制系统，与机床进行配合完成工作。整个系统的主体围绕着上下料机器人展开，将整个控制系统集成，包括识别系统和自动传输系统，最终实现单台机床的自动化，多台机床的联动自动化，更甚者可以实现整个生产线的自动化[12]。随着人们对机器人的要求逐渐提高，机器人需要完成的动作复杂程度也日益提高，控制技术的开发难度也越来越大，通信问题变得非常重要。机器人通信技术是研究机器人控制系统的一个重要领域，影响着机器人行业发展的方方面面，机器人的运动轨迹、数据收集等，都受其影响[13]。机器人通信并不是单一的交互方式，而是有多级的通信模式。一般来说，有串行通信和并行通信两种方式。近几年来，机器人研究领域不断深入，要想掌握机器人的研究技术，就需要同时掌握传感器技术、控制技术和网络通信技术等等。所研究出来的机器人功能日益强大，能实现的动作和工作也日趋复杂，所以对机器人的通信也提出了更高的要求[14]。机器人只有收到信号才会有所反应，所以通信协议一般都是需要优先考虑，放在研究机器人的首位。通信系统并不是安装后就能稳定，还需要一个校验的过程，进行数据传输之后获得校验，通常采用奇偶校验。这是一种比较简单的校验方法，缺点是不够稳定；也可采用循环冗余校验码（CRC）校验，增加整个系统的检错能力[15]。1.2.3国内外关于柔顺控制技术的研究现状柔顺控制主要是借助力传感器，以此获得控制的信号，然后再根据信号来控制机器人，让机器人做出相应的变化和动作。柔顺控制分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。被动柔顺控制是指，机器人借助辅助的柔顺工具，当与环境接触时，对外部的作用力产生自然的顺从。这一技术起始于20世纪80年代，由Makino教授提出，柔顺机械臂SCARA就是他的杰作，这种机械臂能够适应环境，不仅能够在水平方向上操作自如，以较高水平完成作业，在垂直方向上也能够完成简单任务，这是一个巨大的技术进步。而国内的柔顺控制技术只有三十年的发展，虽然取得了很多成绩，但是仍有许多地方需要大大改善。以邓晓星教授为主要代表的团队，用平面柔顺装配的方法，实现了全自动的装配，并在此基础上开发出新的平面柔顺夹持器[16]。主动柔顺也就是力的控制，更加主动的去完成动作。机器人带来的便利显而易见，不同的行业也都在研制自己所需要类型的机器人，也因此在不同的场合就需要不同的机器人有不同的感知力和控制力，接触时的数据处理也要有所不同[17]。机器人主动柔顺控制作为智能制造技术中新兴的一部分，不仅关键，而且更是尚未完全突破的难点，不管是在理论上还是在技术的实现上，国内目前都出现了许多亟待解决的问题[18]。主动柔顺控制技术，在被动柔顺控制技术的缺点之上加以补偿，更是能够弥补我国机器人技术理论上的空缺，具有十分广阔的发展前景和应用前景，技术一旦突破，将会带来行业的变革和社会的进一步发展。1.3主要研究内容结合以上分析，本论文选题以机床上下料机器人工作站项目为背景，以小型丝锥为对象，实现丝锥工件磨床加工的机器人上下料。包括整个机器人工作站系统方案优化设计及机械结构设计，如机器人末端执行器的设计、工位器具的设计、电气电路的设计，以及机床的部分改造设计，主要研究内容如下：（1）依据M5丝锥的规格和特性，结合机床上下料作业需求，详细分析系统功能，逐一列出技术要求。确立机器人工作站的设计方案，进而对工作站中各系统组成进行设计与分析。考虑整个系统的可靠性和安全性，同时重视生产成本的投入，将PLC确立为主体控制系统，并据此对控制系统硬件进行设计分析，最终完成整个控制系统的程序设计。（2）简单分析机器人系统结构及其工作原理，进行机器人选型并设计机器人底座、用于M5丝锥上下料的机器人末端执行器、丝锥料盘等机器人工作站设备。（3）根据机器人工作站的作业需要，对现有数控机床进行部分改造，使其能与机器人系统协调配合。（4）最后运用ROBOGUIDE仿真软件完成上下料机器人在上下料过程中的轨迹规划仿真。通过对仿真结果的分析，验证上下料机器人轨迹规划的合理性、准确性以及运用机器人来完成上下料任务的可行性。

第二章机器人工作站布局与机械结构设计2.1机器人工作站总体方案设计机器人工作站是指以机器人为作业系统主体，使用一台或多台机器人，同时配合周边相应的其他设备，用于完成某一特定作业的独立工作系统[20]，也可称作为机器人工作单元。2.1.1上下料机器人工作站的设计流程及原则图2-1上下料机器人工作站设计流程图上下料机器人工作站在设计之初应首先分析待加工工件的结构特点及加工工艺，制定详细的机器人上下料流程，其次根据机器人上下料流程确定工作站的技术要求，对工作站的各组成设备进行选型并对工作站进行整体的布局，接着进行工作站的设备及其控制系统设计，最后对工作站进行模拟运动仿真。其设计流程图如图2-1所示。基于企业的设备条件、环境状况、自动化需求、投入成本及工人情况等因素，为使机器人工作站能够满足企业需求，提出上下料机器人工作站的主要设计原则如下：（1）上下料机器人工作站的设计应满足机床加工作业的环境条件和使用要求；（2）上下料机器人工作站的设计应符合相关安全标准和规范，并具有故障显示及报警等功能；（3）上下料机器人工作站的设计应符合人机工程学，便于手工操作及维护；（4）上下料机器人工作站的设计应在满足使用要求的前提下，注重工作站的性价比，尽可能降低成本。2.1.2上下料机器人工作站的设计指标在设计机床上下料机器人工作站之前，首先要分析工作站的技术要求。上下料机器人工作站的技术要求是衡量其工作性能的重要指标，在制定技术要求时，要综合考虑各方面因素，如机床加工工件的加工工艺、工作站的使用环境、人机工程等。因此，针对M5丝锥加工的机床上下料机器人工作站技术要求如下：（1）上下料机器人为满足需求，安装在机器人底座上，而机器人底座则安装在工作站大底板上，工作范围、上下料速度满足甲方需求，且重复定位精度不超过0.1mm；上下料机器人的控制系统可同时控制六轴的运动；（2）在满足机床加工工艺的基础上，工作站的工位器具应尽可能简单、高效，简化机器人上下料过程；（3）在保证机器人与机床之间通信有效的基础上，减少工作站的外围布线，降低接线及维修的成本；（4）机器人在上下料时，不可对工件造成破坏，需保证其表面的完整性；（5）工作站供电采用三相交流电380V±10%、50Hz±1%，供气采用空气压力为0.4MPa～0.8MPa的压缩空气，环境温度0～45℃，相对湿度不超过75%。2.1.3上下料机器人工作站的构成本文所设计机床上下料机器人工作站主要由四部分组成：机器人系统、PLC控制系统、数控机床和工位器具。其中，机器人系统分为机器人本体和机器人控制器，机器人本体是整个上下料机器人工作站的执行机构，上下料作业是通过在本体末端安装夹爪来实现的；机器人控制器负责控制机器人的动作，是整个系统的控制中心，同时进行工作过程中的信息传递与处理。PLC控制系统包括电路连接、通讯配置、软件程序以及人机界面，可使数控机床与机器人系统形成整体，是机器人工作站的控制中心。数控机床可对丝锥坯料进行加工，是丝锥加工的执行机构。工位器具通常根据工件的结构设计而成。下图2-2为本文所设计机器人工作站组成图。图2-2上下料机器人工作站组成图2.2机器人选型及底座的设计2.2.1机器人选型机器人是工作站系统的核心部分，其包括机器人本体机构和专用末端执行器，考虑到上下料作业的负载能力、灵活性及定位要求，本文所设计的上下料机器人工作站机器人采用日本FANUC机器人LRMate200iD/7L，如图2-3所示。图2-3FANUC机器人（LRMate200iD/7L）它是一款六自由度关节式机器人，能够满足本课题上下料作业的轴数要求，最大额定负载为7kg，可达半径911mm，灵活性高，重复定位精度为±0.018mm。其主要的运动参数如表2-1所示。机器人末端负载采用轻量化铝合金气动夹爪且工件质量小于10g，满足机器人的额定负载要求。重复定位精度满足0.1mm的设计要求。表2-1机器人运动参数表轴号动作范围最高速度1340°370°/s2245°310°/s3430°410°/s4380°550°/s5250°545°/s6720°1000°/s2.2.2机器人底座的设计机器人底座是机器人的辅助设备，其可以使机器人在任何地面上都能使用，还可以根据工作环境的不同，使机器人的工作空间进一步扩大，从而使机器人在各种生产情景中，都能够获得最佳的效益。本文根据所选机器人的安装参数，设计了整体尺寸为250mm×250mm×600mm的机器人底座，如图2-4所示。机器人本体与底座采用高强度螺栓固定，机器人底座则安装在工作站大底板上。如图2-5所示，在机器人底座的辅助下，工位器具及数控机床上下料点均在机器人可达范围内。图2-4机器人底座模型图图2-5机器人可达范围示意图2.3末端执行器的设计2.3.1末端执行器的方案设计末端执行器的类型根据末端执行器的结构特点，可将其划分为以下几种类型：（1）夹持式执行器。夹持式末端执行器适合抓取质量较大、外形不规则或易发生形变的物体。一般可分为以下两种类型：1）回转型执行器这种执行器通过两侧夹臂在有动力驱动时绕传动装置上的指定点旋转，来完成对目标物体的夹紧与释放。转动副、移动副是该机构的主要组成部分，能够轻易抓取一些形状不规则的物体，不仅使用方便，还具有较高的稳定性。2）平行移动型执行器这种执行器通过两侧夹臂在有动力驱动时在直线导轨上通过传动装置进行平行移动，来完成对目标物体的夹紧与释放。该执行器通常由两个夹臂，借助气缸或电机带动，沿着导轨做相对平行运动，该结构紧凑、安全性高。（2）真空吸附式执行器。该类执行器主要由真空发生系统和吸盘架两部分组成。在吸盘架上放置真空吸盘，并用真空发生系统有效连接两个设备。当开始工作时，吸盘紧贴在物体表面，然后利用真空发生系统使吸盘内产生真空环境，借助大气压将物体吸附于吸盘上，以此完成物体的搬运。（3）磁吸附式执行器。该类执行器可分为电磁铁式和永磁铁式两种不同类型。该类执行器能够利用执行器中的电磁铁或永磁铁所具有的特性，完成金属物体的抓取工作。机器人末端执行器是机器人的外围设备，是直接接触目标工件的装置，在机器人上下料过程中，它是机器人实现工件抓取与码放的关键执行部分。通过对比分析，夹持式执行器结构简单，制造容易，稳定性好，因此适宜作为丝锥上下料机器人的末端执行器。末端执行器的工作模式机器人在进行上下料任务时，通常采用多夹爪的末端执行器工作模式，以此来提高机器人上下料的工作效率，降低时间成本。故在本设计中，根据实际生产过程，并充分考虑到整个系统的运行效率及设计难度，在机器人法兰盘的末端安装两套夹具，通过这种双夹具的模式，可以使机器人同时完成上料和下料的工作，大大减少了机器人往返工位器具与机床的次数。末端执行器的柔性机构由于机器人上料过程中，末端执行器所夹取的丝锥需适当顶紧加工卡槽，而末端执行器设计时必须注意到执行器与工件接触时不可对工件造成破坏。故在本设计中，采用被动柔顺控制的方式，使用硅胶材料作为夹紧处的工件接触材料，其不易对工件产生损伤，在上料顶紧的过程中，可以有效的对工件受力进行缓冲，较好的克服了刚性夹爪灵活性差的问题。2.3.2末端执行器的结构设计总体结构设计图2-6为本文机器人末端执行器的结构示意图。法兰盘连接件安装在机器人末端的法兰盘上，法兰盘连接件两端分别安装一个气动手指，手指可带动两侧的夹臂沿导轨平行移动。手指在完全夹紧状态时，两个夹臂之间的距离为1mm，手指在完全松开的状态时，两个夹臂之间的距离为5mm。由于M5丝锥柄部直径为3.5mm，故该末端执行器可以较好的抓取M5丝锥。该方案的末端执行器结构简单，夹持力合适，在机器人上下料过程中可以有效的简化机器人的运动路径，提高机器人上下料的工作效率。图2-6末端执行器的总体结构法兰盘连接件；2-气动手指；3-夹臂；4-硅胶垫气动手指的选型气动手指作为气动夹爪的重要组成部分，在选型时要充分考虑到多方面因素。比如气动手指的有效夹持力、夹持点、夹持方式、使用压力、工作环境等因素，其中气动手指夹持力计算应按公式（2-1）进行计算。（2-1）式中：F为夹持力（N）；μ为连接件和工件之间的摩擦系数；m为工件重量（kg）；g为重力加速度（=9.8m/s²）；a为安全系数。由于M5丝锥质量为6g，取摩擦系数μ为0.1，安全系数a为4，经分析计算，F=1.96N。最终结合上述分析计算，选取了SMC公司的JMHZ2-8D-M9N型号气动手指，如图2-7所示，具体参数如表2-2所示。图2-7SMCJMHZ2-8D-M9N气动手指表2-2气动手指参数型号SMCJMHZ2-8D-M9N缸径8（mm）动作方式双作用型使用压力0.15～0.7（MPa）重复精度±0.01（mm）磁性开关2（个）外径夹持力7.8（N）开闭行程4（mm）两侧夹臂的设计根据所选气动手指参数及M5丝锥的结构特性，设计的两侧夹臂结构如图2-8所示，夹臂总体长度为36mm，工件接触处采用槽形硅胶垫，通过螺钉安装在夹臂上，提高工件夹取的稳定性与灵活性。图2-8夹臂的结构示意图2.4工位器具的设计工位器具是企业在生产现场或仓库中用以存放生产对象或工具的各种装置。是用于盛装各种零部件、原材料等，满足生产需要，方便生产工人操作，所使用的辅助性器具，是生产过程中每一个环节所不能缺少的。本文所设计的工位器具用于存放丝锥的待加工件及已加工件。其结构如图2-9所示，由铝型材组成的料盘台与桌面通过角码联接，确保工位器具与机器人本体的相对位置保持不变。料盘的整体尺寸为274mm×220mm×24mm，丝锥孔直径为5.2mm，可放置100根M5丝锥，其顶板与底板通过螺栓联接。图2-9工位器具的结构示意图2.5数控机床的改装设计2.5.1机床安全门的改装设计为满足机器人自动上下料的需要，将数控机床的内外两个安全门均改装为气动安全门，其输入输出信号由机床PLC控制，使机床的改装具有独立性，方便后续设计改装。在气缸的选型时，本文考虑到多方面因素，采用磁耦合式无杆气缸，其具有行程大、安装空间小的特点，其中气缸的许用驱动力及缸径的计算应分别按公式（2-2）、(2-3)进行计算。（2-2）(2-3)式中： F1为许用驱动力（N）；μ为导杆的摩擦系数；W为负载质量（kg）； W由于机床外安全门质量约为10kg且无连接件，取摩擦系数μ为0.15，使用压力设为0.4MPa，经分析计算，F1图2-10SMCCY3R20-700-M9N型气缸图2-11机床外安全门的结构示意图表2-3气缸参数气缸型号SMCCY3R20-700-M9N缸径20（mm）安装方式水平标准行程700（mm）理论推力0～200（N）适用范围0.16～0.7（MPa）磁性开关NPN型由于机床内安全门质量约为7kg且无连接件，取摩擦系数μ为0.15，使用压力设为0.4MPa，经分析计算，F1图2-12SMCCY3R15-500-M9N型气缸表2-4气缸参数气缸型号SMCCY3R15-500-M9N缸径15（mm）安装方式水平标准行程500（mm）理论推力0～100（N）适用范围0.16～0.7（MPa）磁性开关NPN型图2-13机床内安全门的结构示意图2.5.2机床程序的设计根据工作站任务分析与工作流程，主要采用了数控机床配备的编程软件HXPLC以梯形图的形式，对数控机床的控制程序进行改编，可接收来自工作站PLC的机器人的状态信息或发送数控机床状态信息给工作站PLC，并控制尾架及安全门的运行。如图2-14所示，为数控机床控制流程图，图2-15为数控机床修改部分的控制程序。图2-14数控机床控制流程图图2-15数控机床控制程序图

第三章机器人工作站控制系统设计图3-1控制系统原理图随着计算机通信技术以及微处理器的发展，自动化控制方式也越来也多样化，目前比较成熟的自动化控制方式有PLC控制、EDA控制、单片机控制、传统PC控制等。由于可编程控制器具有功能强、可靠性高、抗干扰能力强、功能扩展便捷、便于维护等优点，完全能够满足工作站控制要求，故本文选用了以PLC为主体加上机器人R-30iAMate控制器及数控机床的控制模式，控制原理如图3-1所示，PLC作为上下料机器人工作站的核心控制设备，用以进行数控机床与机器人控制器的信息交互，PLC控制器与数控机床之间通过I/O接口进行通讯，而机器人控制器与PLC之间则采用以太网通讯的方式，这样既保证了信息交互的稳定性，又有效简化了整个工作站的外围布线。3.1PLC机型的选择合理地选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术指标起着重要的作用。机型的选择可从如下几个方面来考虑：（1）确定系统的实际输入点数系统由启动按钮、停止按钮、尾架夹紧到位信号、尾架退到位信号、安全门开门到位信号以及安全门关门到位信号组成，共有6个输入点。（2）确定系统的实际输出点数系统有上料到达门前信号、下料到达门前信号、顶紧完成信号以及夹爪已夹紧信号，共有4个输出点。（3）确定应选择PLC的点数由于I/O点的价格较高，所以应合理选用I/O的数量，在保证满足控制要求的同时使所用的I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%到15%的裕量来确定。（4）确定PLC的I/O模块PLC的I/O模块包括开关量I/O模块、模拟量I/O模块和其他特殊功能模块等[25]。根据本文要求，无须用到模拟量I/O模块和特殊功能模块，故只需对开关量I/O模块选择，其中开关量I/O模块又包括开关量输入模块和开关量输出模块。PLC种类很多，根据此前确定的PLC点数：实际输入点6点，实际输出点4点。综合对比市面上各型号的PLC性能指标，本系统选择采用西门子S7-12001214CDC/DC/DC可编程控制器。S7-1200控制器使用灵活、功能强大，可用于控制各种各样的设备以满足各种自动化需求。其结构紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。表3-1为S7-12001214CDC/DC/DC的部分性能指标。表3-1S7-1200系列性能指标项目S7-1200系列性能数据物理尺寸110×100×75（mm）本地板载I/O14个输入/10个输出位存储器（M）8192个字节信号模块（SM）扩展8以太网通信端口13.2I/O配置及通讯的设计3.2.1I/O配置在PLC控制系统的设计中，根据系统控制要求把输入/输出信号列出表格，给出相应的PLC输入/输出端口的地址号和功能说明，是控制系统设计的重要环节之一，也是正确编制PLC程序和设计I/O硬件接线图的前提条件。如下表3-2所示，为数控机床PLC输入／输出点分配表，从表中可以看出，数控机床PLC需用到13个输出点以及13个输入点；表3-3所示，为工作站PLC输入/输出点分配表，从表中可以看出，工作站PLC需用到10个输入点以及8个输出点，其中4个输入点及4个输出点采用以太网通讯。表3-2数控机床PLC输入/输出点分配表输出信号输出地址输入信号输入地址尾架夹到位Y0.3尾架退到位X0.6尾架退到位Y0.4尾架进到位X0.7开门到位Y0.5开门2到位X1.4关门到位Y0.6开门1到位X1.6尾架退Y0.7上料到达门前X2.0尾架进Y2.1顶紧完成X2.2尾架松开Y2.2夹紧已完成X2.3尾架夹紧Y2.4下料到达门前X3.5开门1Y2.6关门1到位X3.7开门2Y4.0关门2到位X4.1关门1Y4.1尾架夹紧到位X4.2关门2Y4.2尾架松开到位X6.7自动运行启动信号G7.2加工程序结束F222.6表3-3工作站PLC输入/输出点分配表输出信号输出地址输入信号输入地址尾架夹紧到位I0.0尾架夹紧到位Q0.0尾架退到位I0.1尾架退到位Q0.1开门到位I0.2开门到位Q0.2关门到位I0.3关门到位Q0.3上料到达门前I0.4上料到达门前Q0.4顶紧完成I0.5顶紧完成Q0.5夹爪已夹紧I0.6夹爪已夹紧Q0.6下料到达门前I0.7下料到达门前Q0.7启动信号I1.0停止信号I以太网通讯的设计在计算机通信领域，Socket被翻译为“套接字”，它可以实现计算机之间的信息传输。通过Socket通信，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以发送数据给其他计算机。它具有传输数据时间短、性能高的特点，适合于客户端和服务器端之间信息实时交互。故在机器人控制器与工作站PLC的信息交互中，本文采用Socket通信来进行以太网通讯，从而实现机器人与PLC的信息传输。如图3-2所示，为PLC端Socket通信发送数据的部分程序，可将数据信息通过以太网传输给机器人控制器；如图3-3所示，为PLC端Socket通信接收数据的部分程序，其可将机器人传输来的数据信息存入地址中。图3-2Socket通信发送程序在机器人端，需通过KAREL程序，将PLC的数据存入机器人的数值寄存器中，并通过SM_CONNECT、SM_DISCO及SM_SEND15三种PC文件将机器人的信息发送给PLC。FANUC机器人系统的KAREL系统由机器人、控制器及系统软件组成。它使用KAREL编程语言编写的程序来完成工业任务。KAREL可以控制数据与相关设备进行通信并与操作员进行交互。如图3-4所示，为机器人Socket通讯的部分KAREL程序，其含有断开、连接两个子程序，首先通过连接程序建立机器人与上位机的连接，再通过数据的发送、读取与拆分，实现PLC与机器人的数据传输。图3-3Socket通信接收程序图3-4机器人部分KAREL程序3.2.3PLC外部接线图图3-5数控机床PLC输入硬件接线图（1）根据表3-2、3-3的PLC输入/输出接口分配情况及西门子PLC的相关参数绘制出外部接线图，如图3-5、3-6所示，为数控机床PLC输入端口的硬件接线图；如图3-7、3-8所示，为数控机床PLC输出端口的硬件接线图，从图中可以看出输入输出的接线方式为24V直流输入/输出，并且在数控机床PLC与工作站PLC之间使用了光耦模组连接，如图3-9所示，光耦合器简称光耦，它是以光为媒介来传输电信号的器件，具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输出之间绝缘等优点。图3-6数控机床PLC输入硬件接线图（2）图3-7数控机床PLC输出硬件接线图（1）图3-8数控机床PLC输出硬件接线图（2）图3-9光耦模组3.3控制系统的程序设计PLC的软件系统包括系统程序（又称系统软件）和用户程序（又称应用软件）[28]。软件设计的主要设计过程是写一个可以实现具体控制功能的用户程序。程序设计之初，首先要建立整个控制系统的整体概念，包括了解控制系统的全部功能、控制模式、输入/输出种类和数量、通信形式等。然后熟悉被控对象，可把被控对象和控制功能按照相应要求、信号用途和控制区域分类，确定检测设备和控制设备[29]。软件设计的主要任务是定义参数表，绘制程序框图，编制程序和编写程序说明书等。本文由于篇幅有限，主要进行用户程序编写。如图3-10所示，为PLC控制程序的主要功能图，主要包括机器人与数控机床信息的相互传递、Socket信号的接收与发送以及HMI界面的数据显示。如图3-11、图3-12所示，为工作站PLC部分控制程序，其可接收机器人端信号经处理后传输给数控机床，也可将数控机床的信号处理后发送给机器人。图3-10PLC控制程序功能图图3-11PLC部分控制程序（1）图3-12PLC部分控制程序（2）3.4人机界面的设计人机界面（HMI），又称用户界面或使用者界面，在人与控制系统之间起到传递、交换信息的作用，是控制系统的重要组成部分，它能够将信息的内部形式转换为人类可以接受形式。在本文的人机设计中，如图3-13所示，设置了用户登录界面，操作员需输入用户名及密码才能打开控制系统，提高了控制系统的安全性。如图3-14所示，为人机界面的监控界面，可反映数控机床及机器人的实时状态，包括尾架夹到位、尾架退到位、开门到位、关门到位、上料到达门前、下料到达门前、顶紧完成、夹爪夹紧等信息。图3-13用户登录界面图3-14机床上下料监控界面

第四章机器人工作站仿真与验证ROBOGUIDE是发那科机器人公司推出的一款仿真软件，它可以通过一个离线的三维世界来模拟现实中的机器人及周边设备的布局，在这其中可以进行TP示教，进一步模拟机器人的运动轨迹。通过这样的模拟仿真可以验证方案的可行性同时获得准确的周期时间。因此，本文选用ROBOGUIDE仿真软件进行机器人工作站的仿真与验证。4.1工作站场景布局ROBOGUIDE的操作界面根据其功能划分为九个区域，包括“File”、“Edit”、“View”、“Cell”、“Robot”、“Teach”、“Test-Run”、“Project”、“Tools”。可以在主菜单中根据不同的工作情况选择相应的子模块，包括模型导入、运动规划、离线编程等，其他窗口也会根据所选模块的不同相应的进行改变。图4-1工作站各部分模型加载由于ROBOGUIDE软件没有建立复杂三维模型的功能，因此需要从外部导入数模，本文采用NX软件首先对工作站各部分结构进行建模，包括数控机床、末端执行器、工件及工位器具，再将其导入到ROBOGUIDE中。如图4-1所示，导入资源模型时，需根据其类型或功能进行分类导入，如工件需以Parts的形式导入，安全门、尾架等运动机构需以Machines的形式导入，而工作台、围栏等外围设备则可以Fixtures或Obstacles的形式导入。在工作站各部分结构成功导入后，根据机器人工作范围、各设备相互关系、机器人上下料工作流程等因素，对工作站进行场景布局，保证机器人运动的可达性及无障碍性。如图4-2所示，为机器人工作站的场景布局，从图中可知，机器人工作站占地4000mm×3040mm。如图4-3、图4-4所示，为机器人的工作范围示意图，从图中可以看出，机器人可到达上下料任务的各工作点。图4-2机器人工作站的场景布局图4-3机器人工作范围示意图（1）图4-4机器人工作范围示意图（2）4.2路径规划与编程4.2.1路径规划根据机器人上下料任务的要求，如图4-4所示，对机器人上下料系统的工作流程做出规划。由于本文所设计的末端执行器为双夹爪模式，所以可同时完成工件的上料与下料，并且在机床加工的过程中，同时进行工件成品的放置及胚料的抓取，大大缩短了生产节拍，提高了机器人上下料的工作效率，这是本文所设计的机器人工作站在路径规划方面的主要优势。图4-5机器人上下料系统流程图4.2.2机器人程序设计为简化机器人的控制程序，本文采用子程序调用的方式编写机器人控制主程序，编写了“INITIALIZE（初始化）”、“LDFIRET（初次上料）”、“LDSECOND（二次上料）”、“PICKUP（取料）”、“EMPTYING(放料)”等子程序，只需在主程序中进行各子程序的调用，就可以实现相应的功能，降低了程序的复杂程度，同时也便于日后的修改与调试。如图4-5所示，为机器人控制的主程序，从图中可以看出，程序主要采用循环的方式，实现机器人的重复上下料。本文由于篇幅有限，仅展示部分子程序，图4-6为机器人初次上料子程序，图4-7为机器人初始化子程序。图4-5机器人主程序图4-6机器人初次上料子程序图4-7机器人初始化子程序4.3运动仿真调试在仿真程序中，通过计算10个丝锥完成加工并放入工位器具最外侧的时间，得出了工件上下料的生产节拍，为14秒。本文设计的上下料机器人工作站在机器人完成上料任务并退出机床到达等待点后，即可开始工件的加工，无需等待机器人完成放料任务，大大缩短了机床的等待时间，极大的提高了生产效率。如图4-8、图4-9所示，为机器人在仿真过程中的姿态图，如图4-10所示为机器人的运动轨迹图，从仿真结果分析，机器人在运动过程中无障碍阻碍，机器人姿态良好，同时也证明了末端执行器及路径规划的可行性及合理性。图4-8机器人运动仿真姿态图（1）图4-9机器人运动仿真姿态图（2）图4-10机器人运动轨迹图

第五章总结5.1全文总结在智能化工业蓬勃发展和科学技术不断进步的背景下，提高工作效率迫在眉睫。随着工业自动化程度的提高，单纯的手工操作已不能满足其要求，因此，必须使用先进的自动化设备来代替人工，才能满足工业自动化的需求。其中，机器人是发展过程中的代表性产物。将机器人技术运用于数控机床，不仅提高了生产效率，而且提高了加工速度和精度，可以高效的辅助数控机床实现自动化生产。本论文主要研究将机器人技术应用到数控机床自动化上下料作业中，主要工作总结如下：（1）分析研究M5丝锥的特性和上下料要求后，提出了上下料机器人工作站系统的设计要求，基于提高上下料效率的方法，进行了上下料机器人工作站的布局设计。在确定了适用于M5丝锥上下料的系统方案后，拟定了机器人工作站的各组成部分，进而对机器人各系统进行了分析设计、系统布局、程序编写。实现了PLC控制系统与工业机器人控制器的通讯编程，简化系统布线方案。完成了对机床部分机械结构的改造与机床PLC的编程，满足自动化上下料的要求。（2）对机器人末端执行器进行了设计，完成了气动手指的选型计算，实现了上下料机器人取放丝锥的功能。（3）最后以FANUCLRMate20