基於工業機器人的數控加工控製係統設計
2021-6-1 來源（yuán）：天（tiān）津職業技術師範 作者：龐（páng）黨鋒 宋亞傑（jié） 王春（chūn）光 劉彥磊 李傳軍
摘要（yào）: 通過研究製造（zào）生產線數（shù）控加工單元和上下料係統，並分析數控機床和工業機器人工作原理和（hé）生產流程，設計一種基於 Modbus/TCP 協議的數控機床加工單（dān）元控製係統。該係統（tǒng）采用 S7－1200 PLC 作為（wéi）主站，通過以太網通信（xìn）實現（xiàn）對工業機器（qì）人和數控機床協同控製。通（tōng）過（guò）實（shí）際工程驗證（zhèng），該係（xì）統具有通信穩定、響應速度快和工作效率高等特點。
關鍵詞（cí）: 數控（kòng）機床; 智能製造; Modbus/TCP; 工業機器人
0 前（qián）言
隨著中國製造 2025 戰略的提出，提高裝備製造智能化水平已經成為製造業發展的趨勢，加工製造單元是智能製造的主（zhǔ）要環（huán）節，其智能化程度對企業生產效率具有重要影響。為提高數控加工的智能化和信息化水平，設計基於 Modbus/TCP 協（xié）議的工業機器人自動上（shàng）下料係統，將數控機床、工（gōng）業機器人、數據信息采集管控（kòng）等加工製造設備集成為智能製造係統。通過工程驗證，係統通信穩（wěn）定（dìng）、工作效率高，該係（xì）統在加工製造環節的應用對提（tí）高製（zhì）造企業的智能（néng）製造水平具有（yǒu）重要意義。
1 、係統硬件結構設計
基於工業機器人（rén）的數控加工（gōng）控製係統采（cǎi）用西門（mén）子S7－1200 係列（liè） PLC 作為係統的中央控製器，型號為CPU1214C，PLC 集成（chéng） PＲOFINET 接口（kǒu）用於（yú）編（biān）程以及設備間通信，支持開放的（de）以太網協議與第三方（fāng）設備通（tōng）信（xìn），通（tōng）過工業交換機實現與機器人、數控機床等設備通信。
計算機用於控製器 S7－1200 PLC 的編程和工業機器人的編程調試，通過工業交換機將程序下載到 PLC 和（hé）工業機器人控製器，係統硬件（jiàn）結構如圖 1所示，係統網絡拓撲如圖 2 所（suǒ）示。
圖 1 統硬件結（jié）構
圖 2 係統網絡拓撲圖
2 、係統網絡通信設計
Modbus / TCP 是運行在 TCP / IP 上的 Modbus 報文傳輸協議，通過此協議，控製器相（xiàng）互之間通過網（wǎng）絡和其他設備進行通信。控製器 S7－1200 PLC 與工業機器人李群（qún） QKM 間采用 Modbus/TCP 通（tōng）信協（xié）議，Modb-us / TCP 協議是標準的網絡通信協議，利用控（kòng）製器（qì）上的 PN 接口（kǒu）與工業機器人進行通信。
2. 1 控製器 PLC Modbus / TCP 協議（yì）
在 S7－1200 PLC 編程軟件 TIA Portal V15 中調用Modbus / TCP 的 庫 指 令 “MB _ CLIENT ” 和 “MB _SEＲVEＲ”， “MB _ SEＲVEＲ” 指（zhǐ）令作為 Modbus / TCP服務器通過控製器 S7－1200PLC 的 PＲOFINET 連接通信（xìn），使用該（gāi）指令，無需其他任何硬件模（mó）塊。S7－1200PLC Modbus / TCP 通信程序如圖 3 所示， “MB_SEＲV-EＲ” 指令將處理 Modbus / TCP 客戶端的（de）連接請求、接收 Modbus 功能的請求並發送響應; 通過 “MB_CLIENT” 指令，在客戶端和服務器之間建立（lì）連接（jiē）、發送（sòng）請求、接（jiē）收響（xiǎng）應並控製Modbus//TCP 服務器連接終端。
圖 3 S7－1200 PLC Modbus/TCP 通信程序
2. 2 控製器 PLC 與機器人通信
S7－1200 PLC 為（wéi）係統的主控製器，用來接收上位機控製信息並進行分析，然後將（jiāng）控製指令發送給執行設備。控製器 S7－1200 PLC 與數控（kòng）機（jī）床的通信通過硬件 I/O 方式來實（shí）現機床上（shàng）下料數據（jù）交互。為提高（gāo）信號抗幹擾能力，在 PLC 信號輸出端增加光電隔離模塊。機器人與 PLC 數據交互的主要地址分配如表 1所示。
表 1 機器人（rén）與 PLC 數據（jù）交互主要地址分（fèn）配
機器人（rén）與控製器 PLC 交互的目（mù）的（de）主要是接收PLC 發來的動作控製命令，執行相應示教動作任務，並將自身（shēn）運行狀（zhuàng）態信息返回至 PLC，保證整個係統正常運行，控製流程如圖 4 所示。
圖（tú） 4 係統控製流程（chéng）
工業機器人反饋給主控製器（qì） PLC 的信（xìn）息主要包括對各指（zhǐ）令的響應和係統狀態信息的反饋，同時還包括機器人自身的運行（háng）狀態，如空間坐標（biāo）、工（gōng）作模式等（děng）信（xìn）息。
2. 3 機器人與數控機床通信
采（cǎi）用李群自動化六軸工業機器人，型號為 QKMHL6; 數控機床安全門、夾具和（hé）加工狀（zhuàng）態以布爾量（liàng）存放在指定（dìng）寄存器（qì）中（zhōng），機器人從 Modbus 設備上讀取多個寄存器的值; 通過判（pàn）斷不同寄存器的布爾量，完成（chéng）設定 的 動 作 軌 跡; 數 控 機 床 端 IP 地址配置為192. 168. 0. 101，機器人端數據通信程序如下。
3 、機器人運動軌跡規劃
為了提高自動上下料（liào）工（gōng）業機器人的工作效率和精度，根據機器人運動路徑和末端位置姿態（tài），通過調整運動軌跡（jì）平滑參數，在兩條直（zhí）線（xiàn）路徑中規劃一段過渡路徑。由於機器人在數控車床上（shàng）下料中的運（yùn）動主要是直線路徑，在相鄰的 2 個路徑上（shàng）確定出過（guò）渡點，采用線性軌跡圓弧過渡。直線路徑采用圓弧過渡算法簡單且通過編程易於實現，該指令必須在兩段運動（dòng）指令間執行。係統設計的（de）效果圖與實（shí）物圖如圖（tú） 5 所示。
圖 5 係統設計效果圖與實物圖
根據機器（qì）人（rén）放置工件需要，機器人末端（duān）夾具需要（yào）垂（chuí）直到達（dá）起始位置 P1，位置 P1到位置 P2采用直線軌跡如（rú）圖 6 所（suǒ）示運動軌跡，從位置（zhì） P1水平運動到目（mù）標位置 P2垂直 50 cm 處，再（zài）垂直運動 50 cm 到達目標位置，通過設（shè）置機械（xiè）下一個運動距離（lí）與當前運動距
離重疊 50%，機器人實際運動的軌跡如圖 7 所示。
圖 6 直線運（yùn）動軌跡（jì）
圖 7 圓弧過渡直線軌跡
起始 位置（zhì） P1到目標位置 P2之間采用機器人Move. Force Overlap 指令，實現下一個運動距離與目標距（jù）離重（chóng）疊百分（fèn）數，程序 Move. Force Overlap ( 0，50)實現 2 個距離重疊 50%。
4 、結論
數控加工單元是智能製造的重（chóng）要組成部分，為了提高製造加（jiā）工單元的自動化程度和工作效（xiào）率（lǜ），設計了基於工業機器人的數（shù）控加工製造控製係統。該係統通過協同控製工業機器人和數控機床，實（shí）現了機床的自動上下料工作，通過（guò）實際工程驗（yàn）證（zhèng）了控製係統的可（kě）靠性，數控（kòng）加工效率和安全性得到了提高。
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