工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究

21世纪以来 ，机器人 已经成为现代工业 中不可缺少的重要工具。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，它可从某种角度折射出-个国家的科技水平和综合国力。自从上世纪 60年代第- 台工业机器人 问世 以来 ，机器 人的种类 已经从最初 的操作手逐渐 衍生 出各类机器人 ，并且深入到人类生活的方方面面 。

其中在柔性制造系统方面，机械手 自动上下料装置是机器人技术应用的-个重要方面，随着机床的高速高精度发展趋势，机床加工中自动上下料技术将具有更广阔的发展前景。研究机械手上下料系统的控制时序，设计合理的控制程序，巧妙设计机器人末端执行器 (手抓 )结构 ，很好地实现数控机床 与机器人的通讯 功能 ，有效地组合工业机器人上下料技术及数控 车床加工技术于-体 ，最终实 现快速 的高精度上下料功能等有着广泛的实用意义 。

本文采用工业机器人 自动上下料技 术 ，研究数控车床上加工综合零件的过程。分析加工件的工艺特点，编制合理的 CNC加工程序，规划合理的机器人运动轨迹 ，设计机器人末端执行器 ，把工业机器人上收稿 日期 ：2013-03-07作者简介：郑泽钿(1965-)，男，广东潮安县人，广东省茂名市技工学校机械工程师，研究方向为现代数控加工技术，机电-体化技术等，(E-mail)zhengzetian###sohu.corn。

· 1O6· 组合机床与自动化加工技术 第 7期下料技术及数控车床加工技术有机地组合起来，实现拈化自动上下料柔性制造单元，达到集成化、高精度 、高效率 的效果 。

1 GSK机器人和数控车床的工作单元1.1 GSK机器人功能GSK机器人是-种基 于工业标准开 发、设计 的关节臂式机器 人 ，其外形及各 关节位置示意如 图 1所示，图2是 GSK机器人的等价几何模型。机器人在直角坐标系下运动的 、，、z方向，如图 3所示 。

2 数控机床及机器人上下料协调工作流程要保证机器人在数控车床加工时准确无误及时地上下料 ，须考虑以下几个问题 ：(1)分析数控车床加工工件的车削工艺流程；(2)设计合适 的机器人末端工具(手抓 )；(3)规划机器人上下料的运动轨迹、设计流程图及编制运动程序；(4)实现数控车床与机器人的通讯。

3 组合应用实例3.1 综合工件数控车削工艺分析图 1 GSK机器 人外形 图 图 2 GSK机 器人运动学模型图 3 机器 人直 角 坐 标 系GSK机器人为用户提供 了-个全开放、可扩展的机器人控制系统开发平台。针对不同的应用研究和开发项 目，用户可以方便 地向控制 系统 中添加视觉传感器、力传感器以及红外等各种扩展传感器，或者添加各种末端工具来扩展机器人的功能，并将这些扩展功能与机器人控制系统进行无逢集成 ，从而实现机器人二次开发功能。现研究通过添加末端工具实现在数控车床上 自动上下料。

1.2 980T数控系统车床980T数控 系统 车床是-种半 闭环式 的数控 车床，可完成各种回转面工件的加工，采用由广州数控设备有限公司生产的980T数控系统，可适应手工或自动编程 自动加工方式 ，是-种编程格式简单、界面友好，操作方便的数控机床 。其外形如图4所示。现研究 GSK工业机器人上下料技术及 980T数控系统车床加工技术的组合应用。

图 4 980T数控系统车床 外形图如图 5所示工件 ，生产纲领为大批量生产 ，材料中碳钢。这是-个综合工件 ，内容包含 了内外螺纹、内孔、外圆柱面 、外圆锥面及端面等。在数控车床上加工 ，需要进行 两次装夹。现将工业机器人上 下料技术及数控 车床加工技术组合应用 ，以 自动 上下料的方式加工此工件，提高加工效率。

图 5 加 工 件 零 件 图3.2 扩展 GSK工业机器人功能3.2.1 加工设备布置设备布局两种方式比较：①单台机器人服务单台数控车床；②单台机器人服务双台数控车床〖虑设备布局紧凑性好，选用第 1种情况。则数控机床 -机器人加工系统布局与工作过程示意图如图6所示。

图 6 自动上下料 工作过程示惹 图3.2.2 机器人末端工具设计根据工件的外形特点 ，设计机器人末端工具 (手抓)部件，包含气动、传感器及机械部件等。如下图7所示。

此夹具的特点是，底板和机器人的端部连接，两套气缸分别控制两手爪，气缸上安装传感器，检测手爪的松开和夹紧到位情况。两手爪分别用于夹取毛坯和半成器或半成品和成 品。

2013年7月 郑泽钿，等：工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究 ·107·1.固定爪 2.滑动爪 3.气缸4.压力传感开关 5.气缸座 6.底板图 7 手抓部件 图操作时间短，效率高。相应的气动原理图如图8所示。

图 8 手 抓 气 动 原 理 示 惫 图3.2.3 机器人与车床通讯设计为了更好的协调机器人与数控车床的工作，要建立机器人和机床之间安全可靠 的通讯机制。采用快速 I/O的通讯模式。在 硬件方面 ，通过 屏蔽信号电缆将两者之间的 PLC处理器 中相应 的输入与输 出点进行连接，屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。

软件方面，通过 GSK机器人专用应用软件，根据采集机床和机器人 当前状态 ，编写相应 的符 合上下料逻辑的控制程序，最终达到数控机床与机器人的有效通讯，从而实现拈化 自动上下料柔性制造系统单元安全高效运行 。GSK机器人输入及输 出信号对照关系如表 1所示 。

表 1 GSK 机器人输入及输 出信号对照关 系输入信号的对应关系指令 iO输 入 指令 iO输入 指令 i0输入 指令 i0输人10 x9，o I8 Xl0.O I16 Xl1.O I24 X12.0I1 x9.1 I9 X1O.1 I17 X11.1 I25 X12.1I2 x9.2 I10 X10.2 I18 Xl1.2 I26 Xl2.2I3 X9.3 I11 Xl0.3 I19 Xl1.3 I27 X12.3I4 X9.4 I12 X10.4 I2O X11.4 I28 Xl2.4I5 X9.5 Il3 Xl0.5 I2l Xl1 5 I29 X12 5I6 X9.6 I14 X1O.6 I22 X11.6 I30 X12.67 X9.7 I15 X1O.7 23 Xl1.7 I31 X12.7输出信号的对应关系指令 i0输出 指令 iO输出 指令 i0输出 指令 i0输出00 Y8.0 O8 Y9.0 0l6 YlO.0 024 Yl1.0O1 Y8.1 09 Y9.1 017 Y10.1 O25 Y11.102 Y8.2 01O Y9.2 O18 Y1O.2 026 Y11.2O3 Y8.3 O11 Y9.3 019 Y1O.3 027 Y11.304 Y8.4 Ol2 Y9.4 O20 YlO.4 028 Y11.4O5 Y8.5 O13 Y9.5 021 Y10.5 029 Y11.5O6 Y8.6 O14 Y9.6 O22 YlO.6 O3O Y11.6O7 Y8.7 O15 Y9.7 O23 Y10.7 03l Y11.7注：其中带 为系统占用，其它信号客户根据需要可以自行定义其中机器人工装 10接线图如图9所示。

蕺 - 相 6锋～ t ； m ；赫 -I 《 l l --0 飘 I iI啦☆墨 鲻 齄弹 no， - - ll1no Iearn 魁 淡豢- l：n《； 糊 r'atrl 蛾脚l垒- Yl， 。 j i 矬0 薯 -- 瓤.- nl-抽I 。 - 魏II靓OHl、lfl窖，i- II 1T 1图 9 机 器 人 工 装 IO 接 线 圈3.2.4 机器人上下料运动轨迹规划分析综合零件的车削特点，对机器人上下料运动轨鉴行规划，包涵三部分内容。

(1)运动轨迹规划，先对机器人上下料手抓运动路线进行设计，如图 10示意图所示。

圆 圈 10 运动轨迹示意 图(2)逻辑流程框图设计 ，根据手抓运动路线设计逻辑流程框图，如图 1l所示。

机器人机床准备 L 机床刀架位置摆放安全 确认设备 of卣号正常 l定义机器人I 胄号!机器人编程! 调试陇 号际而 凛 JP 辜主 蓉备G OTO Lx×信号开始行f f循环起动 手抓央I蜃srOUT到位检测WAITIN ： H M0vLP2工件上方HMOVLP3抓工件(爪1). DELAY延时(3- 5目)啪o、 P2工件上方HMovLPl原点H H 描 1 、 目 J～ I L ～ - 1门前姿态 卡盘前姿态r1前取料 2 穹： f1 H H H l INHL 因蜀 )到位检测wA盯. 到位检测WA丌 H H DEIAY延时(3-5BIDELAY延时(3-5I!些 兰堡I1墨 ! 0l图 l1 机器人上 下料逻辑流程 图(3)机器人上下料程序编制。

根据运行轨迹示意图及机器人上下料逻辑流程图，编制相对应的机器上下料控制程序如下：L01；MOVJ POOl，V010，Z0；//零点位置//初 始化L02；SET OUT21 OFF；SET OUT23 OFF；· l08· 组合机床与 自动化加工技术 第 7期SET 0UT40 0FF：SET 0UT41 0FF：SET 0UT24 0FF：SET 0UT26 0FF：SET 0UT16 0FF：SET OUTI8 OFF；LO3：//抓料(手爪 1)SET OUT23 ON；//手爪 1松开SET 0UT21 0FF：WAlT IN26ON；//等待松爪到位MOVJ P002，V010，Z0：MOVL P003，V0l0.Z0：SET OUT23 OFF；//手爪 1抓紧SET OUT21 0N：WAIT IN24ON；//等待抓紧到位DELAY T003.0：MOVL P002 V010 ZO：MOVJ P00l VOlO Z0：//下料(半成 品，用手爪 2)SET OUT41 ON；//手抓 2松开SET 0UT40 OFF：WAIT IN41：ON；//等待松爪到位WAIT IN16：ON；等待机床准备完成SET OUT26 ON；//打开安全 门SET OUT24 OFF；MOVJ P004 V010 Z0：WAIT IN20ON；等待开 门到位MOVJ P005 V010 Z0：MOVJ P006010 ZO；MOVL PO07 V010 ZO：SET OUT41 OFF；//手爪 2抓紧SET 0UT40 ON：WAIT IN40：ON；//等待抓 紧到位DELAY T003.0：W AIT IN29 ON：//确保此时卡盘是卡紧的SET OUT18 ON：WAIT IN31ON；//卡盘松开SET OUT18 OFF；M0VL P006 V010 Z0：M0VJ P0O5 V010 Z0：MOVJ P008 V010 Z0：//手爪换位//上料 (手爪 1)MOVJ P009 VO10 Z0：M0VL P010 V010 Z0：SET OUT18 ON；W AIT IN29 ON：//卡盘卡紧SET OUT18 OFF；MOVL PO09 VO1O ZO：M0VL P0l1 VOIO Z0：M0VL P012 V010 Z0；SET OUT24 ON；//安全门关闭并启动车床SET OUT26 OFF；W AIT IN22： ：ON：SET OUTI6 ON：DELAY TOO1.0：SET OUT16 OFF：//放料 (手爪 2)MOVJ POl3 VOIO ZO：M0VL P014 V0l0 Z0：SET OUT41 ON；//手爪 2松开SET OUT40 OFF：W AIT IN41： ON：//等待松爪到位MOVL P013 V010 Z0；MOVJ P00l V010 Z0：//回零点GOTO L02；3.3 组合应用实例工艺流程综上所述 ，总结 工业 机器人上 下料 技术及 数控车床加工技术组合应用工艺流程如下框图 12所示。

图 12 组合应 用工艺流程图4 结束语随着工业 自动化发展 中对无人化和降低工人劳动强度的要求 ，拈化 自动上下料柔 性制造机构作为数控机床(特别是柔性 车削 中心、加工 中心 、车铣中心)的基赐辅助部件越来越受到机 床制造商和用户的重视，该部件实际上是数控机床 中-个典 型点位控制机床的延伸和发展，对工件输送的速度要求高和定位准确，特别是速度要求较高，必须符合主机的工作节拍要求 。本上下料机构配备在数控车床上 ，实现轴类零件堆垛的上料和下料。该技术的研发，集通讯、气动、传感器检测、机械机构、数控功能于-体，有机组合了机器人与数控机床的功能，简化了数控机床操作模式，提高了数控机床的操作安全性，降低了工人的劳动强度，工件的上下料及自动加工连接紧密，因而大大提高了工作效率，具有较好的推广价值。