基于機(jī)器人的機(jī)械加工控制系統(tǒng)研究

韓飛燕

摘要：對(duì)于現(xiàn)代化工業(yè)成本與時(shí)間的高要求，材料加工柔性需要而言，工業(yè)機(jī)器人具備其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即高成效、低成本、柔性較好等，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械加工自動(dòng)化設(shè)備。一直以來(lái)，與數(shù)控加工中心等加工設(shè)備對(duì)比來(lái)講，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且能夠滿足小批量、對(duì)品種、現(xiàn)場(chǎng)加工的現(xiàn)代化生產(chǎn)需要，可適應(yīng)多種復(fù)雜加工要求。據(jù)此，本文主要基于機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械加工控制系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;機(jī)械加工;控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320.67+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0190-03

1 機(jī)器人在機(jī)械加工中有效應(yīng)用

1.1動(dòng)態(tài)性能參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，包括慣性矩、剛度、阻尼比、固有頻率等。在設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高剛度性能指標(biāo)，否則機(jī)器人的位姿精度和系統(tǒng)的固有頻率將有所下降，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差。對(duì)于比較復(fù)雜的裝配工作，可適當(dāng)增加機(jī)器人臂桿的靈敏度和調(diào)節(jié)剛度系數(shù)，設(shè)計(jì)以實(shí)際的零部件加工裝配環(huán)境為依據(jù)優(yōu)化機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的合理結(jié)構(gòu)。

1.2離線編程

機(jī)器人屬于可編程機(jī)械裝置，系統(tǒng)的執(zhí)行靈敏度和智能化主要是取決于機(jī)器人編程能力。在機(jī)械加工過(guò)程中，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，工作復(fù)雜程度也逐漸增大，能夠直接替代數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面等等。其中，示教變成流程太過(guò)繁雜，效率也比較低，根本無(wú)法完成復(fù)雜路徑合理規(guī)劃，但是離線編程不需要基于機(jī)器人自身及控制系統(tǒng)參與其中，可以對(duì)不同工件加工信息編程外部程序。而計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件，使得機(jī)器人的圖像處理能力和計(jì)算能力編程不斷優(yōu)化。

1.3軌跡規(guī)劃

在機(jī)械加工時(shí)，機(jī)器人需要進(jìn)行多元化運(yùn)動(dòng)軌跡，以此確保與生產(chǎn)流程相符。機(jī)器人生成運(yùn)動(dòng)軌跡與零部件的加工精確度與形狀等等密切相關(guān)，為獲得良好加工效率與質(zhì)量，必須深度探索機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃的精度反映機(jī)器人在同一方向多次隨指令運(yùn)動(dòng)的接近程度。計(jì)算分析軌跡過(guò)程，依賴(lài)精密裝置的合理控制，機(jī)器人的實(shí)際軌跡精度得到有效提高。

1.4加工精度與誤差補(bǔ)償

所謂加工精度不只是進(jìn)行機(jī)械加工系統(tǒng)性能衡量的標(biāo)準(zhǔn)，還是工件加工質(zhì)量的主要影響因素。而有效提升機(jī)器人機(jī)械加工精確度，與整個(gè)機(jī)器人加工系統(tǒng)應(yīng)用密切相關(guān)。加工精確度改善與誤差補(bǔ)償機(jī)制能夠顯著提升加工效率與質(zhì)量，大大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期與成本，進(jìn)而提高機(jī)械加工技術(shù)水平。

2 基于機(jī)器人的機(jī)械加工控制系統(tǒng)

基于機(jī)器人的機(jī)械加工控制系統(tǒng)主要包含機(jī)器人、CNC數(shù)控機(jī)床、物料輸送設(shè)備、轉(zhuǎn)料臺(tái)、機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌、PLC控制系統(tǒng)及氣動(dòng)系統(tǒng)等。西門(mén)子$7-200PLC和氣動(dòng)控制組成了整個(gè)系統(tǒng)的控制部分，通過(guò)西門(mén)子PLC的對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制，而氣動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)壓縮空氣，以電磁換向閥為載體進(jìn)行氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.1氣動(dòng)控制回路

氣動(dòng)系統(tǒng)包含空壓機(jī)、后冷卻器、氣罐、三聯(lián)件、主路過(guò)濾器、控制閥、調(diào)速閥和執(zhí)行件等，其中空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷卻器等為氣源處理裝置，要求壓力一般控制在0.65-0.8MPa。在系統(tǒng)中，機(jī)器人的抓手模塊為內(nèi)部楔形結(jié)構(gòu)的SMC三爪氣動(dòng)手指，該氣缸是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)最常用的氣動(dòng)夾爪，具有生產(chǎn)效率高和工作可靠等特點(diǎn)。SMC三爪氣動(dòng)手指氣缸換向閥選用三位五通電磁閥，氣缸中限位開(kāi)關(guān)選擇磁性開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制和檢測(cè)極限位置，利用反饋系統(tǒng)信息調(diào)整氣缸的伸縮量。在氣體經(jīng)過(guò)氣源處理裝置處理后，流經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)組件，進(jìn)入氣動(dòng)軟管中，此時(shí)利用西門(mén)子$7-200控制氣動(dòng)部分的電磁換向閥，從而進(jìn)行氣缸運(yùn)動(dòng)控制。在進(jìn)氣口的位置安裝單向節(jié)流閥，主要作用是對(duì)氣缸行進(jìn)速度進(jìn)行控制，并且節(jié)流閥能夠讓系統(tǒng)保持穩(wěn)定工作，防止在啟動(dòng)時(shí)活塞突然快進(jìn)導(dǎo)致的撞擊事故。

2.2PLC電氣控制回路

2.2.1西門(mén)子S7-200PLC控制系統(tǒng)

基于機(jī)器人的機(jī)械加工控制系統(tǒng)以西門(mén)子$7-200PLC為核心控制，配合編碼器、人機(jī)界面（觸摸屏）等協(xié)同工作。機(jī)器人在CNC機(jī)床相應(yīng)的動(dòng)作主要是基于觸摸屏人機(jī)交換和編碼器連接PLC和伺服電機(jī)來(lái)完成。系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

2.2.2PLC控制器

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成框架詳細(xì)分析控制模塊，包括PLC的硬件配置、輸入輸出（UO）接口以及系統(tǒng)內(nèi)存存儲(chǔ)量等，選擇西門(mén)子$7-200系列PLC中CPU226主機(jī)，最大可擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量。

2.2.3人機(jī)界面GOT

人機(jī)界面GOT即觸摸屏，是作為PLC控制系統(tǒng)的圖形操作終端。人機(jī)界面在工作時(shí)必須與控制器進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作的通訊協(xié)議，該通訊協(xié)議能夠使PLC進(jìn)行正確的識(shí)別并執(zhí)行命令解釋。使用時(shí)，計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件對(duì)$7-200內(nèi)部元器件的連接地址進(jìn)行組態(tài)，以USB232串口線下載到觸摸屏上，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面和PLC之間的信號(hào)連接動(dòng)作。

2.3控制系統(tǒng)軟件

2.3.1PLC軟件程序設(shè)計(jì)

西門(mén)子S7-200PLC進(jìn)行自動(dòng)控制運(yùn)行是基于人機(jī)界面按鈕啟動(dòng)后，系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人指令進(jìn)行數(shù)控設(shè)備的上下料裝配，其中包括機(jī)器人的送取料、CNC數(shù)控機(jī)床門(mén)開(kāi)關(guān)控制、機(jī)器人清倉(cāng)和加料以及氣動(dòng)控制等。PLC梯形圖程序在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮急停情況，拍下急停按鈕后機(jī)器人立即停止搬運(yùn)工作，只有當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位后，機(jī)器人和CNC數(shù)控機(jī)床急停解除，手動(dòng)恢復(fù)至初始狀態(tài)，進(jìn)行下一輪循環(huán)操作。PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)順序功能圖具體如圖2所示。

2.3.2GO了軟件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器人的機(jī)械加工控制系統(tǒng)整個(gè)流程和實(shí)際生產(chǎn)操作要求作為主要依據(jù)，對(duì)GOT操作界面進(jìn)行畫(huà)面設(shè)計(jì)，包括通訊驅(qū)動(dòng)程序的選擇、歡迎界面的設(shè)計(jì)、操作界面的建立、動(dòng)作開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、PLC與GOT聯(lián)機(jī)通訊下載以及調(diào)試運(yùn)行等各個(gè)軟件模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 基于機(jī)器人的機(jī)械加工發(fā)展趨勢(shì)

基于智能與傳感技術(shù)有效結(jié)合，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增大，加工的復(fù)雜程度不斷提高。其中，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，類(lèi)型不斷增加，主要體現(xiàn)為工作環(huán)境的擴(kuò)展，而性能多元化與智能化則體現(xiàn)為性能水平提升。

第一代工業(yè)機(jī)器人：示教再現(xiàn)型機(jī)器人，主要由示教盒和機(jī)械手操作控制器兩部分組成，示教再現(xiàn)型機(jī)器人可重復(fù)再現(xiàn)示教編程存儲(chǔ)器中的作業(yè)程序，憑記憶進(jìn)行反復(fù)操作，這類(lèi)機(jī)器人在點(diǎn)位控制和不精確路徑場(chǎng)合的使用可一定程度上節(jié)約成本。然而，由于其自身缺少感知外界環(huán)境的傳感器，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的工作無(wú)法從事示教工作，難以勝任移動(dòng)多變的工作環(huán)境。

第二代機(jī)器人是視覺(jué)反饋信息的工業(yè)機(jī)器人，該類(lèi)機(jī)器人基于傳感技術(shù)發(fā)展的具有一定的力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等外部感覺(jué)的機(jī)器人，能對(duì)不規(guī)則的外界環(huán)境變化進(jìn)行識(shí)別判斷并進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，及時(shí)地處理相關(guān)問(wèn)題并修正運(yùn)動(dòng)軌跡。第二代具有視覺(jué)反饋，可完成安裝裝配、焊接等復(fù)雜任務(wù)。

第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，具有更多人的功能，與第二代機(jī)器人相比具有語(yǔ)言邏輯判斷功能，處于復(fù)雜的或不可預(yù)知的環(huán)境下，機(jī)器人可根據(jù)指令或感知自行判斷和決策動(dòng)作。智能機(jī)器人的工作是基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的理解而獲得行動(dòng)方式，并能計(jì)算決策出最佳的處理方案，該類(lèi)機(jī)器人目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，由于技術(shù)原因，機(jī)器人難以脫離人的干預(yù)而完整地發(fā)揮自主功能，因此需要在不斷努力完善得機(jī)器人的功能，構(gòu)建人機(jī)交互的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。IQ。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與傳感技術(shù)、數(shù)控機(jī)床加工精度、PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化息息相關(guān)，我國(guó)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用擴(kuò)大也是得利于這些技術(shù)的快速穩(wěn)定發(fā)展。機(jī)器人因自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即成本較低，自動(dòng)控制和智能化水平較高，柔性性能較好等，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件加工及裝配等工作，作為先進(jìn)制造的典型代表，基于機(jī)器人的機(jī)械加工在未來(lái)勢(shì)必會(huì)發(fā)展成主要趨勢(shì)?？萍疾粩喟l(fā)展進(jìn)步促使基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控加工精度會(huì)不斷提高。