2013年 7 月 Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique Jul． 2013 文章编号： 1001 － 2265（ 2013） 07 － 0105 － 05
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，机电一体化技术等，（ E
－ mail） zhengzetian@ sohu． com。
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
郑泽钿
1
，陈银清2
，林文强2
，张火勇2
，邱 勇2
（ 1． 广东省茂名市技工学校 数控加工教研组，广东 茂名 525000； 2． 广东石油化工学院 机电工程学 院，广东 茂名 525000）
摘要： 为提高数控加工的切削效率和加工精度，对工业机器人上下料技术及数控机床加工技术组合 应用进行研究。分析了 GSK 机器人及 980T 数控系统车床的特点。针对加工实例，设计机器人自动 上下料机构，机器人与数控车床通讯单元，规划机器人上、下料运行轨迹。该研究结果能使机器人与 数控车床配合，实现零件加工过程中上下料的自动化和无人化。是一种小型柔性制造单元在数控加 工中的具体应用。
关键词： GSK 机器人; 上下料技术; 980T 数控系统车床; 轨迹规划 中图分类号： TH166 文献标识码： A
Study on Groupware Applications about Industrial Robot to Load-unload Workpiece and the Processing Technology of NC lathe
ZHENG Ze-tian1，CHEN Yin-qing2，LIN Wen-qiang2，ZHANG Huo-yong2，QIU Yong2
（ 1． Group of Theaching Rosearch CNC Machining，Maoming Technical School，Maoming Guangdong 525000，China； 2． College of Machinery and Electronic Engineering，GuangdongUniversity of Petrochemi- cal Technology，Maoming Guangdong 525000，China）
Abstract： To improve cutting efficiency and machining accuracy by numerical control（ NC） machining，
Groupw are applications about industrial Robot to load-unload w orkpiece and the Processing technology of NC lathe w as studied． The characteristic about GSK Robot and 980TNC lathe w as analyzed． By exam- ple，Structure of robot to load-unload workpiece and the communication unit about GSK robot and 980TNC lathe w ere deisgned． Locus about GSK robot to load-unload w orkpiece trajectory w as planned．
Results show that groupw are applications about industrial Robot to load-unload w orkpiece and the Pro- cessing technology of NC lathe realized automation and unmanned about load-unload w orkpiece in nu- merical control（ NC） machining． One kind Small flexible manufacturing unit in numerical control（ NC）
machining w as realised．
Key words： GSK robot； robot to load-unload workpiece； 980TNC lathe； trajectory planning
0 引言
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一个国 家的科技水平和综合国力。自从上世纪 60 年代第 一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［1-6］。
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一个重要方面，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一体，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［7-12］。
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
下料技术及数控车床加工技术有机地组合起来，实 现模块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机器人是一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 X、Y、Z 方向，如图 3 所示。
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一个全开放、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数控系统车床是一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，是一种编程格式简单、界面 友好，操作方便的数控机床［9-10］。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
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
如图 5 所示工件，生产纲领为大批量生产，材料 中碳钢。这是一个综合工件，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。考虑设 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意图 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。
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 手抓气动原理示意图 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，从而实现模块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 iO 输入 指令 iO 输入 I0 X9. 0 I8 X10. 0 I16 X11. 0 I24 X12. 0 I1 X9. 1 I9 X10. 1 I17 X11. 1 I25 X12. 1 I2 X9. 2 I10 X10. 2 I18 X11. 2 I26 X12. 2 I3 X9. 3 I11 X10. 3 I19 X11. 3 I27 X12. 3 I4 X9. 4 I12 X10. 4 I20 X11. 4 I28 X12. 4 I5 X9. 5 I13 X10. 5 I21 X11. 5 I29 X12. 5 I6 X9. 6 I14 X10. 6 I22 X11. 6 I30 X12. 6 I7 X9. 7 I15 X10. 7 I23 X11. 7 I31 X12. 7
输出信号的对应关系
指令 iO 输出 指令 iO 输出 指令 iO 输出 指令 iO 输出 O0 Y8. 0 O8 Y9. 0 O16 Y10. 0 O24 Y11. 0 O1 Y8. 1 O9 Y9. 1 O17 Y10. 1 O25 Y11. 1 O2 Y8. 2 O10 Y9. 2 O18 Y10. 2 O26 Y11. 2 O3 Y8. 3 O11 Y9. 3 O19 Y10. 3 O27 Y11. 3 O4 Y8. 4 O12 Y9. 4 O20 Y10. 4 O28 Y11. 4 O5 Y8. 5 O13 Y9. 5 O21 Y10. 5 O29 Y11. 5 O6 Y8. 6 O14 Y9. 6 O22 Y10. 6 O30 Y11. 6 O7 Y8. 7 O15 Y9. 7 O23 Y10. 7 O31 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 IO 接线图如图 9 所示。
图 9 机器人工装 IO 接线图 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 动轨迹进行规划，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。
图 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 11 所示。
图 11 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 P001，V010，Z0； / /零点位置 / /初始化
L02；
SET OUT21 OFF；
SET OUT23 OFF；
SET OUT40 OFF；
SET OUT41 OFF；
SET OUT24 OFF；
SET OUT26 OFF；
SET OUT16 OFF；
SET OUT18 OFF；
L03；
/ /抓料（ 手爪 1）
SET OUT23 ON； / /手爪 1 松开 SET OUT21 OFF；
WAIT IN26 = = ON； / /等待松爪到位 MOVJ P002，V010，Z0；
MOVL P003，V010，Z0；
SET OUT23 OFF； / /手爪 1 抓紧 SET OUT21 ON；
WAIT IN24 = = ON； / /等待抓紧到位 DELAY T003． 0；
MOVL P002 V010 Z0；
MOVJ P001 V010 Z0；
/ /下料（ 半成品，用手爪 2）
SET OUT41 ON； / /手抓 2 松开 SET OUT40 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 IN20 = = ON； 等待开门到位 MOVJ P005 V010 Z0；
MOVJ P006 V010 Z0；
MOVL P007 V010 Z0；
SET OUT41 OFF； / /手爪 2 抓紧 SET OUT40 ON；
WAIT IN40 = = ON； / /等待抓紧到位 DELAY T003． 0；
WAIT IN29 = = ON；
/ /确保此时卡盘是卡紧的 SET OUT18 ON；
WAIT IN31 = = ON； / /卡盘松开 SET OUT18 OFF；
MOVL P006 V010 Z0；
MOVJ P005 V010 Z0；
MOVJ P008 V010 Z0；
/ /手爪换位 / /上料（ 手爪 1）
MOVJ P009 V010 Z0；
MOVL P010 V010 Z0；
SET OUT18 ON；
WAIT IN29 = = ON；
/ /卡盘卡紧 SET OUT18 OFF；
MOVL P009 V010 Z0；
MOVL P011 V010 Z0；
MOVL P012 V010 Z0；
SET OUT24 ON；
/ /安全门关闭并启动车床 SET OUT26 OFF；
WAIT IN22 = = ON；
SET OUT16 ON；
DELAY T001． 0；
SET OUT16 OFF；
/ /放料（ 手爪 2）
MOVJ P013 V010 Z0；
MOVL P014 V010 Z0；
SET OUT41 ON；
/ /手爪 2 松开 SET OUT40 OFF；
WAIT IN41 = = ON；
/ /等待松爪到位 MOVL P013 V010 Z0；
MOVJ P001 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，模块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） 的基础和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一个典型 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 于一体，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。
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（ 编辑 李秀敏）
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图 5 存储报警时间
②存储 A 通道和 B 通道的振动数据和相应的测 量时间的实现方法如图 6 所示。
图 6 存储振动数据
③使 用 SQL 语 句 “SELECT * FROM data WHERE 测量时间 BETWEEN time1 and time2 order by 测量时间”，实现按数据的采集时间排序，调用 data 表 中 time1 和 time2 之间的数据，其中 time1 和 time2 为 实际的时间值。在 LabVIEW 中以波形的形式还原存 储在 access 中的振动信号，得到如图 7 所示波形。
图 7 还原后的振动信号波形
（ 4） 最后利用 ADO Recordset Close． vi 及 ADO Connection Close． vi关闭与数据库之间的连接。
以上仅给出几个常用实例，当然我们还可以使
用 LabSQL VIs 模块和相关 SQL 语句完成更多的关 于数据库的操作［10］，总之，利用以上方法可以实时采 集并存储机床振动数据，以便对其进行进一步分析 与诊断，确定故障信息。
3 结论
本文对 LabVIEW 中 利 用 LabSQL 工 具 包 访 问 Access数据库的方法和技巧进行了较深入的研究，
针对数据存储和数据查询操作，给出了相应的编程 方法和实施步骤，完成了对机械振动信号的实时存 储和条件查询功能。实践表明，该方法具有使用方 便、编程效率高的特点，可广泛应用于各种基于 Lab- VIEW的自动化检测与控制系统的数据采集中。
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