工業(yè)機器人系統(tǒng)集成項目3工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站系統(tǒng)集成數(shù)控加工是指在數(shù)控機床上進行零件加工的一種工藝方法。數(shù)控機床加工與傳統(tǒng)機床加工的工藝規(guī)程總體上是一致的，但也有一些變化。在數(shù)控加工制造過程中，許多崗位主要依賴工人的體力和技能，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，如果缺少熟練技工人才，就難以保障產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性。而當數(shù)控機床與工業(yè)機器人集成后，這些缺點能夠得到極大的改善，促使數(shù)控加工行業(yè)越來越多地采用工業(yè)機器人及智能制造技術(shù)來改造傳統(tǒng)工藝流程。如圖3－0－1所示，工業(yè)機器人數(shù)控加工具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點，是一種非常成熟的機械加工輔助手段，把數(shù)控車床和工業(yè)機器人共同構(gòu)成一個柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)簡單，而且適應(yīng)性強。本項目通過將數(shù)控加工工作站拆分為工業(yè)機器人機床上下料工作站和工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站2個集成項目進行介紹，學習上下料機器人和數(shù)控機床集成工作站的設(shè)計、選型和調(diào)試的方法及思路。

1.工業(yè)機器人機床上下料項目集成描述機器人按照需求裝持工裝夾具，并給倉儲裝置發(fā)出取料信號。立體倉儲裝置接收到信號后，將待加工輪轂產(chǎn)品推出料倉，機器人抓持輪轂產(chǎn)品并按照要求搬運至數(shù)控機床的加工位置，等待輪轂加工完成后，再將輪轂放到指定位置。料倉、機器人和數(shù)控機床三者由PLC進行通信，在本項目中能夠?qū)W習自動化系統(tǒng)的邏輯性，對復雜系統(tǒng)的編程能夠得到鍛煉。

2.工業(yè)機器人數(shù)控加工項目集成描述工業(yè)機器人將輪轂產(chǎn)品送至數(shù)控機床的加工位置，等待數(shù)控機床加工完成后，機器人將加工完成的產(chǎn)品放回指定位置。本項目著重以數(shù)控機床為主，上下料機器人為輔，能夠?qū)W習數(shù)控機床產(chǎn)品固定夾具的選型設(shè)計方法以及數(shù)控機床的程序編寫、信號控制等。數(shù)控加工物料為圖3－0－2所示輪轂產(chǎn)品。目錄任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成任務(wù)2數(shù)控加工集成工作站夾具設(shè)計任務(wù)3工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站外圍設(shè)備控制的連接任務(wù)4工業(yè)機器人機床上下料系統(tǒng)集成任務(wù)5工業(yè)機器人數(shù)控加工集成應(yīng)用實訓任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成本任務(wù)通過簡述常見的工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站內(nèi)機設(shè)備的組成、分類和選型方法，學習在系統(tǒng)集成中，工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站內(nèi)機器人及相關(guān)設(shè)備的選型方法。任務(wù)描述任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站是一種集成化的數(shù)控加工系統(tǒng)，由上下料機器人系統(tǒng)、數(shù)控機床、PLC控制系統(tǒng)、供料系統(tǒng)以及集成工作臺等組成，此系統(tǒng)的特點如下：根據(jù)工作站數(shù)據(jù)和產(chǎn)品信息選擇合適的上下料機器人。根據(jù)產(chǎn)品特點設(shè)計或者選用合適的機器人末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)。根據(jù)產(chǎn)品特點選用或者設(shè)計合適的供料系統(tǒng)。選擇準確的定位機構(gòu)，滿足上下料機器人的抓取功能，并能保證抓取工件精準。選擇合適的數(shù)控機床，能夠滿足工作站的加工需求。選擇合適的數(shù)控機床產(chǎn)品固定夾具，能夠保證在數(shù)控加工時工件無位移。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成數(shù)控加工工作站的布局圖如圖3－1－1所示。工業(yè)機器人與數(shù)控機床集成工作站主要應(yīng)用在柔性制造單元（FMC）或柔性制造系統(tǒng)（FMS）中，此類集成工作站系統(tǒng)主要是由工業(yè)機器人、數(shù)控系統(tǒng)、末端夾持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)等設(shè)備加上客戶端匹配的數(shù)控機床組成的自動化工作站系統(tǒng)。通常情況下，為了適應(yīng)工業(yè)機器人自動上下料，需要對數(shù)控機床進行一定的改造，包括數(shù)控機床門的自動開關(guān)、工件的自動夾緊等。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成機床上下料機器人是根據(jù)客戶需求研發(fā)的非標機器人，適用于機床、生產(chǎn)線的上下料、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等。此類機器人系統(tǒng)具有高效率和高穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單更易于維護，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)企業(yè)成本，更能大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動強度。圖3－1－2所示為多關(guān)節(jié)式機器人和桁架式機械手。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成常見的工業(yè)機器人與數(shù)控加工集成分為兩種：一種是工業(yè)機器人與數(shù)控機床進行集成的工作站，另一種是工業(yè)機器人本身通過設(shè)計或改造后具有機械加工能力的機械加工工業(yè)機器人。下面我們對這兩種類型進行簡單介紹。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類（一）工業(yè)機器人與數(shù)控加工的集成在生產(chǎn)作業(yè)中，工業(yè)機器人將毛坯從傳送帶或物料框中取出，放入規(guī)定位置由數(shù)控機床進行加工，加工完成后，再將工件取出，并放入規(guī)定的成品物料框。在此過程中所用到的工業(yè)機器人我們稱之為“上下料機器人”，其編程較為簡單，只要示教編程后再現(xiàn)就可以了。在數(shù)控加工作業(yè)中，很多零件的結(jié)構(gòu)往往十分復雜，需要進行多個工序進行加工，如加測、清洗、打磨和裝壓等，工藝多的、復雜的自動化生產(chǎn)線還會將鍛造、熱處理和磨削等工藝設(shè)備進行集成。由于自動化生產(chǎn)線集成了不同的設(shè)備，通常會使用關(guān)節(jié)式機器人、桁架式機械手以及自動物流等自動化設(shè)備進行組合銜接，代替人工實現(xiàn)加工過程中的工件搬運、取件、裝卸等上下料作業(yè)，以及工件翻轉(zhuǎn)和工具切換等功能，可實現(xiàn)毛坯到成品工件的全自動化加工。應(yīng)用在數(shù)控加工中的多關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人和桁架式機械手都有其各自的特點。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類

1.多關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人多關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人一般由多個旋轉(zhuǎn)和擺動機構(gòu)組合而成，此類機器人具有很高的自由度，通常為5～6軸，能夠勝任復雜軌跡或角度的工作，可以自由編程。通常由多個工序加工，并且工件形狀比較復雜的情況下，可采用標準關(guān)節(jié)型機器人配合供料裝置組成一個自動化單元，通過長時間連續(xù)無人工作從而實現(xiàn)降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的效果。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類多關(guān)節(jié)式機器人結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，與人的動作方式接近，對現(xiàn)場的空間要求低，安裝方式靈活多變，既可在地面安裝，也可安裝在機床上方，更能夠與數(shù)控設(shè)備進行自由組合。多關(guān)節(jié)式機器人常見的安裝方式有三種：“地裝式”（島式加工單元）“地裝行走軸式”（機床成直線布置）和“天吊行走軸式”（機床成直線布置）。下面我們進行簡單介紹：知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類（1）地裝式機器人上下料：目前行業(yè)內(nèi)使用最廣泛的上下料機器人安裝方式為地裝式，也稱為“島式加工單元”。如圖3－1－4所示，該系統(tǒng)以六軸機器人為中心島，機床在其周圍作環(huán)狀布置，進行設(shè)備件的工件轉(zhuǎn)送，集高效生產(chǎn)、穩(wěn)定運行、節(jié)約空間等優(yōu)勢于一體，適合于狹窄空間場合的作業(yè)。機器人高剛性的手臂和先進的伺服技術(shù)保證高速作業(yè)時運動平穩(wěn)無振動，如再配備視覺裝置，可實現(xiàn)工件的快速識別與高速取放。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類（2）地裝行走軸式機器人上下料：如圖3－1－5所示為地裝式行走軸機器人，這類上下料機器人配置了7軸地裝導軌，能夠利用行走導軌來進行工件的轉(zhuǎn)送，擁有運行速度快、有效負載大的優(yōu)點，有效地擴大了機器人的動作范圍，使得系統(tǒng)具有更好的擴展性。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類（3）天吊行走軸式機器人上下料：天吊行走軸機器人搬運系統(tǒng)，也稱“Topmount系統(tǒng)”，它具有與普通多關(guān)節(jié)式機器人同樣的機械和控制系統(tǒng)，和地裝機器人一樣能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的動作。與地裝式上下料機器人不同，這種機器人不需要非常高的車間空間。其行走軸在機床上方，可以極大地節(jié)約地面空間，必要時還可以安裝在兩排機床中間，配合特定爪手，能夠一次抓取2個機床的工件，不僅節(jié)約生產(chǎn)時間，還方便行車的安裝和運行，更縮短了導軌的長度，如圖3－1－6所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類

2.桁架式機械手桁架式機械手是一種建立在直角X，Y，Z三坐標系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對工件進行工位調(diào)整，或?qū)崿F(xiàn)工件的軌跡運動等功能的全自動工業(yè)設(shè)備。其控制核心通過工業(yè)控制器（如PLC、運動控制、單片機等）實現(xiàn)，通過控制器對各種輸入（各種傳感器、按鈕等）信號的分析處理，做出一定的邏輯判斷后，對各個輸出元件（繼電器、電機驅(qū)動器、指示燈等）下達執(zhí)行命令，完成X，Y，Z三軸之間的聯(lián)合運動，以此實現(xiàn)一整套的全自動作業(yè)流程，如圖3－1－7所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類桁架式機械手由多維直線導軌搭建而成，直線導軌由徑直鋁型材、齒形帶、直線滑動導軌和伺服電動機等組成，其空間運動是用三個互相垂直的直線運動來實現(xiàn)的。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以高端的桁架式機械手能夠達到很高的位置精度。為了實現(xiàn)一定的運動空間，桁架式機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人大得多，其工作空間一般為一個空間長方體。桁架式機械手擁有高效、穩(wěn)定、強度高等特點，相比于關(guān)節(jié)機器人，其性價比更高，操作更簡單，如圖3－1－8所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類（二）機械加工型工業(yè)機器人機械加工型工業(yè)機器人具有加工能力，其機器人本體配有加工工具，如刀具、打磨頭等。這些加工工具的作業(yè)運動主要由機器人的控制系統(tǒng)進行控制，可進行切割、拋光、去毛刺、雕刻等輕型機械加工作業(yè)，部分此類工業(yè)機器人已經(jīng)具有加工中心的一些特性，如刀庫等。由于目前的工業(yè)機器人本體的剛度和強度等性能沒有數(shù)控機床高，其機械加工能力也低于數(shù)控機床。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成一、數(shù)控加工的機器人分類工業(yè)機器人數(shù)控加工集成工作站主要是由工業(yè)機器人、末端夾持系統(tǒng)和外圍設(shè)備等加上數(shù)控機床集成的自動化工作站系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，主要的外圍設(shè)備有PLC控制系統(tǒng)、上下料輸送系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)。（一）PLC控制系統(tǒng)

1.數(shù)控機床PLC的類型用于數(shù)控機床的PLC一般可分為2種：（1）專為實現(xiàn)數(shù)控機床順序控制而設(shè)計制造的“內(nèi)裝型（Built－inType）”PLC，如圖3－1－9所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備其特點如下：①內(nèi)裝型PLC實際上是CNC裝置帶有PLC功能，存在于CNC系統(tǒng)的內(nèi)部，不能脫離數(shù)控系統(tǒng)單獨完成控制要求。②內(nèi)裝型PLC的性能指標（如I/O點數(shù)、程序最大執(zhí)行步數(shù)、每步執(zhí)行時間、程序掃描時間、功能指令數(shù)目等）由所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定。硬件和軟件部分作為CNC系統(tǒng)的基本功能或附加功能與CNC系統(tǒng)一起統(tǒng)一設(shè)計制造。③內(nèi)裝型PLC適用于單臺數(shù)控機床及加工中心等場合。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備（2）輸入/輸出信號接口技術(shù)規(guī)范、輸入/輸出點數(shù)、程序儲存容量以及運算和控制功能等均滿足數(shù)控機床控制要求的“獨立型（Stand－aloneType）”PLC，如圖3－1－10所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備其特點如下：①獨立型PLC具有CPU及控制電路、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器、輸入/輸出接口電路與編程機等外部通信設(shè)備的接口和電源等基本的功能結(jié)構(gòu)。②數(shù)控機床應(yīng)用的獨立型PLC一般采用中型或大型PLC，I/O點數(shù)一般在200點以上，所以多采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，具有安裝方便、功能易于擴展和變換等優(yōu)點。③獨立型PLC的輸入/輸出點數(shù)可以通過輸入/輸出模塊增減配置。有的獨立型PLC還可以通過多個遠程終端連接器構(gòu)成有大量輸入/輸出點數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)大范圍的集中控制。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備

2.數(shù)控機床內(nèi)PLC的功能數(shù)控機床的控制由數(shù)控裝置和PLC共同協(xié)調(diào)配合完成，其中數(shù)控裝置主要完成與數(shù)字運算和管理等有關(guān)的功能，如零件程序的編輯、插補運算、譯碼和伺服位置控制等；PLC主要完成與邏輯運算有關(guān)的一些動作，沒有實現(xiàn)軌跡運動上的具體要求。

PLC通過輔助控制裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作，如刀具的更換、工件的裝夾、冷卻液的開關(guān)、自動潤滑等一些輔助動作。它還接受機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作，另一方面將一部分信息送往數(shù)控裝置用于加工過程的控制。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備

3.數(shù)控機床接口數(shù)控系統(tǒng)中PLC的信息交換是指以PLC為中心，在數(shù)據(jù)系統(tǒng)（CNC）、PLC和機床（MT）之間的信息傳遞。PLC從計算機CNC系統(tǒng)中或人機對話系統(tǒng)得到的操作數(shù)據(jù)通過輸出接口輸出，驅(qū)動機床做各種必要的加工的動作。

PLC與CNC之間交換的信息分兩個方向進行，其中由CNC發(fā)給PLC的信息主要包括各種功能代碼M、S、T的信息，手動/自動方式信息和各種功能信息等。而由PLC發(fā)給CNC的信息主要包括M、S、T功能的應(yīng)答信息和各坐標軸對應(yīng)的機床參考點信息等。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備同樣，PLC與機床之間交換的信息也分為兩部分，其中由PLC向機床發(fā)送的信息主要是控制機床的執(zhí)行元件，如電磁閥、接觸器、繼電器以及各種狀態(tài)指示和故障報警等。而由機床向PLC發(fā)送的信息主要有機床操作面板輸入信息和機床上的各種開關(guān)、按鈕等信息，例如機床的啟動/停止、主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止、冷卻液的開/關(guān)、倍率選擇、各坐標軸的點動以及刀架卡盤夾緊/松開等信息，還有各運動部件的限位開關(guān)、主軸狀態(tài)監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準備信號等。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備

CNC到機床側(cè)的PLC信號，經(jīng)PLC處理后通過接口送至機床側(cè)，其信號有S、T、M等功能代碼。機床到CNC側(cè)的PLC信號從機床側(cè)輸入的開關(guān)量經(jīng)PLC邏輯處理傳送到CNC裝置中。機床側(cè)傳遞給PLC的信息主要是機床操作面板上包括機床的啟動/停止、軸的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止、切削液的開/關(guān)、各坐標軸的點動及行程限位等開關(guān)信號。數(shù)控系統(tǒng)中的PLC信息交換是指以PLC為中心，在PLC、CNC和機床三者之間的信息交換，X信號為機床到PLC信號，Y為PLC到機床信號，G為PLC到CNC信號，F(xiàn)為CNC到PLC信號，信息交換如圖3－1－11所示。知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備知識準備任務(wù)1工業(yè)機器人數(shù)控加工工作站組成二、數(shù)控加工機器人外圍設(shè)備如圖3－1－12所示，本任務(wù)中數(shù)控加工工作站的PLC控制系統(tǒng)主要由工作臺、PLC、操作面板、電源模塊和氣源模塊等組件構(gòu)成，系統(tǒng)在操作面板