基（jī）於工業機器人的數控加工控（kòng）製係統設計
2021-6-1 來源：天津職業技術師範 作者：龐黨鋒 宋亞傑 王春光 劉彥磊 李傳軍
摘要: 通過研究製造生（shēng）產線數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生產流程，設計一種基於 Modbus/TCP 協議的數控機床加工單元控製係統。該係統采用 S7－1200 PLC 作為（wéi）主站，通過以太網通信實現對工業機器人和數控機床協同（tóng）控製。通過實際工（gōng）程驗證，該（gāi）係統具有通（tōng）信穩定、響應速度快和工作效（xiào）率高等（děng）特點。
關（guān）鍵詞: 數控機床; 智能製造; Modbus/TCP; 工業機器人
0 前言
隨（suí）著中國製造 2025 戰略的提出（chū），提高裝備製造智能化水平已經成為（wéi）製造業發展的趨勢，加工製（zhì）造單元是智能製造的（de）主要環節（jiē），其智能化程度對企業生產效率具有（yǒu）重要影響。為提高數控加工的智能化和信息化（huà）水平，設計基於 Modbus/TCP 協議的工業機器人自動上下（xià）料係統，將數控機床、工業機器人、數據信（xìn）息采集管控等加工製造設備集成為（wéi）智（zhì）能製造係統。通過工程驗證，係統通信（xìn）穩定、工作效率高，該係統在加工製造環節的應用對提高製造企業的智能製造（zào）水平具有重要意（yì）義。
1 、係統硬件結構設計
基於工業機器人的數控加工控製係（xì）統采用西門子S7－1200 係列 PLC 作（zuò）為（wéi）係統的中央控（kòng）製器，型號為CPU1214C，PLC 集成 PＲOFINET 接口（kǒu）用於（yú）編程以及設備間通信，支持開放的以太網協議與第三方設備通信，通過工業交換機實現與機器人、數控機（jī）床等設備通信。
計算機用（yòng）於控製器 S7－1200 PLC 的編程和（hé）工業機（jī）器（qì）人的編程調試，通過工業交換（huàn）機將程（chéng）序下載到 PLC 和工業機器人控製（zhì）器，係（xì）統硬件結構如（rú）圖（tú） 1所示，係統網絡拓撲如圖 2 所示。
圖 1 統硬件（jiàn）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（guò）網絡和（hé）其他設備進行通信。控製器 S7－1200 PLC 與工業機器人李群 QKM 間采用 Modbus/TCP 通信協（xié）議，Modb-us / TCP 協議是標準的網絡通信協議，利（lì）用控製器上的 PN 接口與工業機器人進行通信。
2. 1 控製器 PLC Modbus / TCP 協議
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” 指令作為 Modbus / TCP服務器通（tōng）過控製器 S7－1200PLC 的 PＲOFINET 連接通信，使用該指令，無需其他任何硬件模塊。S7－1200PLC Modbus / TCP 通信程序如（rú）圖 3 所示， “MB_SEＲV-EＲ” 指令將處理 Modbus / TCP 客戶端的連（lián）接請求、接收 Modbus 功（gōng）能的請求（qiú）並發送響應; 通（tōng）過 “MB_CLIENT” 指令，在客戶端和服務（wù）器之間建（jiàn）立（lì）連接、發送請求、接（jiē）收響應並控製Modbus//TCP 服務器連接終端。
圖（tú） 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 為係統（tǒng）的主控製器，用來接收上位機控製信息並進行分析，然後將控製指令發送給執行設備。控製器 S7－1200 PLC 與數控機床的通信通過硬件 I/O 方式來（lái）實現機床上下料數據交互。為提高信（xìn）號（hào）抗幹擾能力，在（zài） 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（zhǐ）分配如表（biǎo） 1所示。
表 1 機器人與 PLC 數據交互主要地址分配
機器人與控（kòng）製器（qì） PLC 交互的目的主要是接收PLC 發來的動（dòng）作控製命令，執行相應示教動（dòng）作任務，並將自身運行狀（zhuàng）態信（xìn）息返回（huí）至 PLC，保證整個係統正常運行（háng），控製流程如圖 4 所示。
圖 4 係（xì）統控製流程
工（gōng）業機器人反饋給主控製器 PLC 的信息主要包括對各指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狀態，如空間坐標（biāo）、工作模式等信息（xī）。
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（xíng）號為 QKMHL6; 數控機床安全門、夾具和加工狀態以布爾量（liàng）存放在指定寄存器中（zhōng），機（jī）器人從 Modbus 設備（bèi）上讀取多個寄存器的值; 通過判斷不同寄（jì）存器的（de）布爾（ěr）量，完（wán）成設定 的 動 作 軌（guǐ） 跡; 數 控 機 床（chuáng） 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工業機器人的（de）工作（zuò）效率和精度，根（gēn）據機器人運動路徑和末端位置姿態（tài），通過調整運動軌跡平滑參數，在兩條直線路徑中規劃一段過渡路徑。由於（yú）機器人在數控車床上（shàng）下料中的運動主要是直線路徑，在相鄰的 2 個路徑上確定出過渡點，采用線性軌跡圓弧過渡。直線路徑采用圓弧過渡算法簡單（dān）且通過編程易於實現，該指令必須在兩段運動指令間執行。係統設計的效果圖與實物圖如圖 5 所示。
圖 5 係統設計效果圖與實物圖（tú）
根據機器人放置工件需要，機器人末端夾具需要垂直到達起（qǐ）始位置 P1，位（wèi）置 P1到位置 P2采用直線軌跡如圖 6 所示運動軌（guǐ）跡，從位置 P1水平運動到目標位置 P2垂直 50 cm 處，再垂直運動 50 cm 到達目（mù）標位置，通過設置機械下一個運動距離與當前運動距
離（lí）重疊 50%，機器人實（shí）際運動（dòng）的軌跡（jì）如圖（tú） 7 所示。
圖 6 直線運動軌跡
圖 7 圓弧過渡直線軌跡
起始 位置 P1到目標位置 P2之間采用機器人Move. Force Overlap 指令（lìng），實現下一個運動距離與目標距離（lí）重疊百分數，程序 Move. Force Overlap ( 0，50)實現 2 個（gè）距離重疊（dié） 50%。
4 、結論
數控加工單元是智能（néng）製造的重要組成（chéng）部分，為了提高製造加（jiā）工單元的自動（dòng）化程度和工作效（xiào）率，設計了基於工業機器人（rén）的數控加工製造控製係統。該係（xì）統通過協同控製工業（yè）機（jī）器人和數控機床，實現了機床的自（zì）動（dòng）上下（xià）料工（gōng）作，通過實際工程驗證了控製（zhì）係統的可靠性，數控加工效率和安全性得到了提高。
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