工业机器人自动上下料控制系统的设计*

□ 张 琛 □ 倪受东 □ 张 静

1.南京工业大学机械与动力工程学院 南京 211800

2.南京工业大学先进材料研究院 南京 211800

1 设计背景

工业机器人模仿人的手臂，按照设定的路径等参数进行物件的抓取、搬运及其它动作，是目前工业自动化生产中常用的设备之一。笔者所研究的工业机器人自动上下料系统，是在阀门壳体加工生产线中通过设定好的可编程序控制器（PLC）来控制工业机器人的动作，实现三台机床的自动上下料。由于此项操作重复性强、工作强度高，手工操作不能满足大批量生产的实际需求，而工业机器人可以快速准确地长时间作业，重复定位精度高，环境适应性好，可以极大地提高生产效率。可见，工业机器人可以用高精度智能化的操作代替人力[1]，所以对工业机器人的柔性控制系统进行研究，并将其应用到工厂实际生产中很有必要。

2 上下料系统组成及工艺流程

笔者选用安川MS165机器人来完成阀门壳体加工生产线的自动上下料。安川MS165工业机器人是一款高效率、多功能工业机器人，主要由本体、驱动系统、控制系统和示教器四个基本部分组成[2]，具有两个抓手。

根据工艺流程，阀门壳体需要在数控车床、液压组合钻床、数控磨床等三台机床上依次进行加工。壳体毛坯首先通过进料传送带运送到指定位置，由工业机器人抓取并经过数控车床（1号）、液压组合钻床（2号）、数控磨床（3号）依次加工，最后通过出料传送带完成相关的操作。根据阀门壳体加工工艺流程，建立了如图1所示由传送带、工业机器人及其控制系统，以及三台机床组成的自动上下料加工生产线，现场辅以加工自动线安全围栏。

阀门壳体生产线的工艺流程为：① 进料，1号壳体由进料传送带运送到相应位置；②1号机器人抓手打开，抓取1号壳体后关闭；③ 2号壳体进入相同的位置，2号机器人抓手打开，抓取2号壳体后关闭；④ 进入机械加工工艺流程，1号机床、2号机床、3号机床依次完成相关工序的加工；⑤ 1号机器人抓手打开，然后2号机器人抓手打开，出料。在进料口和出料口由传感器控制实现两端的限位功能。由于工艺流程需要，在2号机床与3号机床中间设置中转台装置，结构为台阶型的V形块，用于壳体的掉头装夹[3]，即当工件在2号机床加工完成，工业机器人将壳体取出后，借助中转台装置换夹壳体另一端。两个壳体经过三台机床的依次加工后，通过工业机器人的准确放置由出料传送带送出。

▲图1 生产线平面示意图

3 机械结构设计

为提高生产效率，采用双工位非标夹具设计机器人抓手。壳体进入机床前，机器人先将未加工壳体夹持在1号工位上，然后旋转180°，使用2号工位抓取另一个未加工壳体，待两个壳体全部抓取完毕后，进入机床加工系统。

气压传动系统由过滤器、减压阀、单向阀、电磁换向阀、储气罐等元件组成。为满足加工不同型号壳体的装夹需求，抓手不直接安装在机器人上，而是通过快换接头连接。压缩空气利用四通连接管分为三条气路，其中两条气路分别用于控制两个抓手打开和关闭，第三条气路用于控制快换接头连接与断开。由三位五通电磁换向阀控制抓手气缸的换向[4]。电磁换向阀线圈A得电后，压缩空气进入两个夹持气缸的右腔，推动活塞杆向左运动，夹紧壳体。反之，电磁换向阀线圈B得电后，活塞杆向右运动，在弹簧力作用下松开壳体。

机器人抓手的转动由电磁换向阀、齿条、齿轮和转动轴共同完成。压缩空气通过电磁换向阀分别进入两个转动气缸，推动活塞杆运动。活塞推动齿条运动，齿条再带动齿轮和转动轴转动，从而实现抓手的转动。

在机械结构设计完成后，根据上下料机器人的整体结构及项目实施的具体原理，通过示教器模拟设计控制要求和运动动作，进而设计人机界面，编制梯形图，将人机界面导入触摸屏，并将梯形图导入PLC[5]。触摸屏与PLC相连，操作者控制触摸屏，触摸屏控制PLC动作，PLC根据程序向执行件发送信号，控制执行件的运动，实现阀门壳体生产线的运行。工业机器人控制系统原理如图2所示。

4 控制系统设计

PLC通过数字或模拟输入输出信号控制整个机械生产过程。选择三菱L02CPU型PLC作为工业机器人的控制器，根据具体的控制要求向各个控制对象分配输入输出地址，并且在进出料传送带上加以光电传感器、减速器等辅助装置。选用的三菱L02CPU型PLC具有较多的输入输出点、较强的模块拓展能力、较快的运算速度、较好的内部集成特殊功能，内置RS-USB、Ethernet，能够满足工业机器人柔性控制系统的需求。光电传感器用来检测壳体在传送带上的位置，然后将信号反馈给PLC，其它控制模块包括开关、警报等[6]。PLC控制系统电气原理图如图3所示。

传送带由电机经减速器拖动实现运行，由接触器控制电机的正反转。电机的正反转决定了传送带的运转方向，同时在上下料传送带的边缘处设置传感器，控制电机的停止。工件的定位通过设置行程开关来实现，非标机械夹具的夹紧功能通过控制电磁换向阀驱动气缸来实现。

使用Gx-works2编程软件梯形图编辑器创建程序，编写完程序之后便可以进行相关的仿真调试。当确认程序无误后，将所有程序下载至PLC[7]。在Gx-works2环境下，对控制程序进行组合编辑后，通过电缆下载至PLC的中央处理器模块，接通电源，运行控制程序，观察工业机器人的运动情况。试验结果表明，工业机器人执行动作符合预先的设定要求，控制电路与控制程序运行安全可靠。PLC部分梯形图如图4所示。

▲图2 机器人控制系统原理

▲图3 PLC控制系统电气原理图

▲图4 PLC部分梯形图

▲图5 工业机器人现场调试

由于安川机器人的结构为多关节式，因此使用示教盒可以针对处于工作原点的机器人，用手动按键示教其在今后工作中所要完成的动作。触摸屏的主要程序包括设备初始化、界面程序、参数设置、模式选择和系统管理等，作为人机界面，触摸屏可以接收PLC操作指令，并显示控制柜的系统状态。基于安川机器人示教器，在设计完成后进行关键位置点的示教及调整，实现机器人在手动模式进行取料、搬运及其它动作，最后实现与PLC信号交换，然后进行仿真模拟，进而完善机器人程序[8]。通电前再次确认各气缸及传感器的初始状态，检查机器人的硬件连接是否正确。确定无误后通电并载入程序，根据示教好的点进行程序调试[9]。工业机器人现场调试如图5所示。

5 结束语

阀门壳体生产线经过调试后，已实际投入生产使用，整条生产线安全平稳运行，能够连续工作。这套基于PLC与工业机器人的自动化上下料系统具有高度的自动化水平，可以大大减轻工人的劳动强度[10]，极大地提高了阀门壳体的加工效率。