地轨机器人机床上下料控制技术

01序言地轨机器人机床上下料系统包括上下料机器人、机械手和桁架装置等，可自动完成上料、下料任务，同时可以完成加工件的准确定位、测量及检测等复杂工序，提高效率，降低风险，有效提高了集成度。地轨作为机器人的一个行走辅助机构，也快速发展起来，在一些空间复杂、工件尺寸大的场合应用广泛，可以作为机器人的第七轴，也可以由PLC驱动伺服电动机控制[1-3]。现以一条主轴生产线为例，分别介绍地轨机器人机床上下料控制系统的构成和控制流程。02地轨控制地轨主要是配合机器人完成生产线上各机床的上下料，采用直线导轨作为导向机构，动力驱动依托伺服电动机、减速器和齿轮齿条来完成，地轨控制部分如图1所示，包括地轨PLC、触摸屏、驱动器、电动机、料架和机器人控制柜，与主控PLC实时通信，进行数据交互。设备启停屏操作画面如图2所示，可完成设备启停、模式切换及伺服设置等功能。位置代码显示主控要求调度的位置，包括料位位置和机床位置；物料代码显示当前工件型号代码；圆形指示灯显示当前位置上有无物料状态。图1地轨控制示意图2设备启停屏操作画面伺服操作画面如图3所示，可以开启、关闭伺服，完成电动机正反转操作和原点回归操作；同时可以在位置输入框输入目标位置，按下“绝对位置”按钮，地轨电动机旋转，带着机器人向目标位置移动；“立即停止”按钮可以停止电动机旋转指令；“当前位置”实时标识地轨机器人位置。图3伺服操作画面料台操作画面如图4所示，在手动方式下点击相应的按钮可控制相应部件动作，动作到位后圆形指示灯呈现绿色状态。整线各活动单元都安装有按钮盒，在系统手动模式下可控制各部件动作。图4料台操作画面通过西门子博途工具软件对工艺对象地轨驱动进行组态与参数设置[4]。驱动器基本参数设置界面如图5所示，分别设置硬件接口、驱动装置的使能和反馈、电动机每转脉冲数、每转负载位移及旋转方向、硬和软限位开关等数据。图5驱动器基本参数设置界面PLC分别控制地轨电动机、料架，同时与触摸屏、机器人控制柜通信，地轨使能控制和绝对位置控制部分如图6所示。PLC与机器人采用串口方式通信，相互发送接收数据，并实时进行处理。PLC接收来自机器人数据的指令及部分数据处理程序如图7所示。图6地轨使能控制和绝对位置控制程序图7接收机器人数据及部分数据处理程序03机器人控制机器人主要由本体、控制柜、示教器及连接电缆组成，扩展气动夹爪，与地轨PLC串行通信，其控制如图8所示。机器人采用六关节工业机器人，通过示教再现方式，按照预先设定的程序，自主完成规定动作与操作。工业机器人的运动方式主要包括点位控制、连续轨迹控制、力（力矩）控制和智能控制方式。扩展DeviceNet总线I/O模块，用于控制气动夹爪动作，与地轨PLC采用RS-232接口进行通信，工业机器人串口通信程序如下。PROCserial(stringcom1)WriteStrBinComChannel,”Absolute”;Command:=ReadStrbin(ComChannel,8);WHILECommand<>”Absolute”DOIFCommand=”*Error04”THENWriteStrBinComChannel,”Home****”;Command:=ReadStrbin(ComChannel,8);IFCommand<>”**DoneOK”THENserialErrorCommand;ENDIFELSEIFCommand=”*Error03”THENWriteStrBinComChannel,”ONEN****”;Command:=ReadStrbin(ComChannel,8);IFCommand<>”****ONEN”THENserialErrorCommand;ENDIFWaitTime1;ELSEserialErrorCommand;ENDIFWriteStrBinComChannel,”Absolute”;Command:=ReadStrbin(ComChannel,8);ENDWHILEWriteStrBinComChannel,com1;Command:=ReadStrbin(ComChannel,8);IFCommand<>”**DoneOK”THENserialErrorCommand;ENDIFENDPROC图8机器人控制示意串行数据通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送1位。串行通信最少只需要两根线就可以连接多台设备，组成控制网络，可用于距离较远的场合。在串行通信中，接收方和发送方应使用相同的传输速率，但是实际的发送速率与接收速率之间总会有一些微小的差异。在连续传送大量的信息时，会因为积累误差造成数据错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，采用异步通信，即字符同步方式，其字符信息格式如图9所示，发送的字符由1个起始位、7个或8个数据位、1个奇偶校验位（可以没有）以及1个或2个停止位组成。图9异步通信的字符信息格式奇偶校验用来检测接收到的数据是否出错。如果指定的是偶校验，发送方发送的每一个字符的数据位和奇偶校验位中的“1”的个数为偶数：如果数据位包含偶数个“1”，奇偶校验位将为0；如果数据位包含奇数个“1”，奇偶校验位将为1。也可以设置为无奇偶校验。在串行通信中，传输速率（又称波特率）的单位为bit/s，即每秒传送的二进制位数。地轨PLC与机器人采用全双工通信方式，通信的双方都能在同一时间接收和发送信息，信号线连接如图10所示。图10信号线连接04机床控制机床控制过程中主要考虑以下安全互锁要求。1）机器人夹爪在机床内，机床不能触发关防护门动作，不能进行加工等相关动作。2）机器人夹爪进入机床前，机床防护门应处于打开状态。3）机器人送料过程中，物料未到达指定位置，机床不能触发夹紧装置夹紧动作，不能触发顶紧装置顶紧动作。4）机器人取料过程中，机器人夹爪未夹紧物料，机床不能触发夹紧装置松开动作，不能触发顶紧装置退回动作。5）机器人在机床取料、放料过程中，机床不能触发冷却液开启动作指令。自动线内多台数控机床的加工工序、工件夹持方式各不相同，但防护门与夹具都是标配，均配有到位检测信号。尾台作为选项，用来辅助夹持轴类等长工件。接口信号见表1，机床上下料控制指令见表2。表1自动线机床通信接口信号表2自动线机床上下料控制指令05主控主控PLC系统主要执行物流调度控制系统下达的控制指令，进而驱动控制加工机床的PLC以及机器人，实现控制机床开门、关门、夹具夹紧、松开和机器人上料、下料等操作。物流调度与控制层由工控机IPC安装基于WINCC的物流调度与控制系统，与主控PLC集成，实现生产线物料的自动调度、异常处理、生产状态监控以及自动/手动方式切换等操作。工控机与机床数控系统间通过以太网连接，采用OPCUA通信协议；主控PLC与地轨PLC通过PROFINET现场总线连接，使用S7通信协议，拓扑如图11所示。主控PLC主程序流程如图12所示。图11主控拓扑图12主控PLC主程序流程采用OPCUA通信协议；主控PLC与地轨PLC通过PROFINET现场总线连接，使用S7通信协议，拓扑如图11所示。主控PLC主程序流程如图12所示。工件任务调度方式包括自动和手动，其中全自动传输方式为：由WINCC和主控PLC调度协调，操作人员只需负责从上料站上料，从下料站下料，其他中间过程由WINCC和主控PLC控制完成；半自动传输方式为：通过WINCC操作界面设置物流系统起点和终点位置，确认后执行一次传输动作，包括与机床、机器人、料架的交互动作；手动传输方式为：通过手动操作面板人工操作实现传输动作及与机床、机器人、料架的交互动作。主控PLC机床上料动作时序如图13所示，功能状态见表3。图13主控PLC机床上料动作时序表3主控PLC功能状态由于各个机床的加工时间不尽相同，因此各个机床进行加工的优先级会较大程度地影响生产线工作效率。对于加工时间长的机床来说，在同样的时间内能够加工