1、智能制造產線設計摘要隨著我國科學技術水平的不斷提高，智能制造技術在眾多的領域中進行了應 用，智能制造技術會逐步得到完善，滿足社會各界對于生產制造行業的需求，促 進制造行業的自動化生產。本文以智能制造技術推廣應用實際與發展需求為依據，按照“設備自動化+ 生產精益化+管理信息化+人工高效化”的構成理念，對數控加工設備、工業機器 人、總控PLC進行了程序編制，可以完成總控PLC與數控機床和機器人之間的信 號交互?？偪豍LC與機器人之間的通訊可以實現工業機器人對零件的夾取和放回; 總控PLC與數控機床之間的通訊可以實現工件的加工以及機床的開關門。從而使 工業機器人、數控機床、以及總控PLC形成智能制造

2、產線，完成工件的自動生產。 關鍵詞智能制造；生產精益化；工業機器人第1章緒論1.1研究背景隨著我國科學技術的快速發展，人們對于商品的使用效果和品質的要求越來 越高，商品的復雜程度也有了很大的增強?，F在，一個手機的生產已經涵蓋了注 塑、包裝、機器人、物流、仿真、軟件、信息管理、人工智能的所有復雜工程的 集成，產線變得更加的復雜。如今，大部分的工件生產線是由多臺普通機床和數控機床組合成的，其中大 部分工作由數控機床來完成，但是設備之間的協調程度存在著一定差異，而且大 多還采用一人一機的生產方式。但是工件的加工需要多道程序連續作業，因此會 造成工序流程長，重復工作量大，人員多的狀況，這樣就會使生產效

3、率降低?，F 在的工件要求精度高、產量多，為了避免人類生產帶來的誤差，使工件精度更加 接近需求的精度，就需要智能制造產線進行工件加工。技術先進工業機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發等先進制造 技術于一體，通過對制造過程實施檢測、控制、優化、調度、管理和決策，實現 增加產量、提高質量、降低成本、減少資源消耗和環境污染。技術升級工業機器 人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產等技術特點，是繼動 力機械、計算機之后，出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實 現生產數字化、自動化、網絡化以及智能化的重要手段。應用領域廣泛工業機器 人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，

4、可用于制造、安裝、檢測、物流等 生產環節，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電 器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫藥、冶金及印刷出版等眾多行業。 技術綜合性強工業機器人與自動化成套技術，集中并融合了多項學科，涉及多項 技術領域，包括工業機器人控制技術、機器人動力學及仿真、機器人構建有限元 分析、激光加工技術、模塊化程序設計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動 化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。現在越來越多的企業依賴智能制造產線，比如化工、鋼鐵、食品飲料、煙草、 芯片制造、電子組裝、和零件的制造等，為了實現自動化加工、裝配和檢測，一 些機械標準件的生產也用

5、到了智能制造產線，比如軸承。很多企業的技術改造重 點，就是建立自動化生產線。自動化生產線可以分為剛性自動化生產線和柔性自 動化生產線，柔性自動化生產線一般建立了緩沖。機器人在智能制造產線中可以 代替人工進行工件的夾取和上下料，大大解放了人力。為了提高生產效率，工業 機器人在自動化生產線上應用越來越廣泛。1.2國內外發展現狀國內發展狀況就我國自身來講，我國工業基礎處于落后的階段，大多數的制造企業過度依 賴人力進行生產，工件生產的自動化水平有待提高。我國在前期發展中很多方面 都受到經濟的限制，我國經濟水平的落后導致我國發展重心偏重于工業發展，主 要目的是希望能夠以最快的速度來提高我國經濟水平，提高

6、人們的生活質量。此 外，我國智能裝備制造業產業缺乏配套支持，基礎相對較弱。我國裝備制造業已 位居全球行業前列，但是很多技術仍然落后于國際先進水平。所以，我國在二十 世紀初期正式制定出臺裝備制造業調整和振興計劃這一計劃出臺之后，我國 政府對于智能制造裝備的資金扶持度越來越大，并且在2012年發布高端裝備 制造業“十二五”發展規劃。這一發展規劃為我國打下智能制造裝備未來的發展 目標。目前，我國智能制造業正嚴格遵循這一發展規劃來進行探究，目的是在未 來智能制造業的發展中取得更好的成績和發展。隨著新一代信息技術與制造業的深度融合，我國智能制造的發展取得了顯著 成效，據相關機構預測，智能制造產業銷售收入

7、從2010年的3000億元增加到 2015年的1萬億元，根據未來產業研究院預測，2022年智能制造裝備產業銷售 收入有希望突破到3萬億元。以高檔數控機床、工業機器人、智能儀表為代表的 關鍵技術裝備取得積極進展；智能制造裝備和先進技術在重點行業不斷進行推廣， 離散行業制造裝備的數字化、網絡化、智能化步伐加快，加快了流程型工業過程 控制和制造執行系統的全面普及，關鍵技術流程的數控化有了很大提高；在典型 行業中探索、逐步形成了一些可以復制和推廣的智能制造新模式，為進一步促進 智能制造奠定了一定的基礎。目前，我國的智能制造行業雖然與美國、德國等國家尚有一些差距，我國目 前已經意識到智能制造對行業的發展

8、的重要性，同時也加大了對智能制造的支持 力度。最近我國在機器人領域也取得了一定的進步與發展，僅浙江省工業機器人 的密度就已經達到每萬人擁有五十二臺的程度。隨著我國科學技術的進一步發展， 我國的工業機器人密度迅速增長。隨著我國對智能制造業研究的深入，結合美國、德國等國家的研究經驗，根 據我國的基本國情以及我國可持續化發展戰略的要求，制定了我國未來智能制造 行業發展的五大目標：集成化、定制化、信息化、數字化以及綠色化。集成化是 要求在制造的過程中形成制造模型，提高制造效率；定制化是將智能制造向個性 化、扁平化的方向進行發展信息化以及數字化是指在制造的過程中利用計算機、 網絡技術、傳感技術等先進的技

9、術，實現智能制造、柔性制造的目標，構建群數 字化的管理方式綠色化是指在制造生產的過程中節約資源，減少對環境的污染， 使智能制造裝備的制造過程符合我國可持續性發展的原則。國外發展狀況金融危機以來，在尋求危機解決方案的過程中，美、德、日等國政府和相關 專業人士紛紛提出通過發展智能制造來重振制造業。2011年6月，美國正式啟 動包括工業機器人在內的“先進制造伙伴計劃”，2012年2月美國發布了“先進制 造業國家戰略計劃”，其中提出要通過加強研究和試驗減稅擴大和優化政府投資 構建智能制造技術平臺，加快智能制造技術的創新。2012年設立美國制造業創新網絡，并先后設立增材制造創新研究院和數字 化制造與設計

10、創新研究院。德國通過政府、弗勞恩霍夫研究所和各州政府合作投 資于數控機床、制造和工程自動化行業應用制造研究，于2013年正式實施以智 能制造為主體的“工業4.0”戰略，鞏固其制造業領先地位。日本提出通過加快發 展協同式機器人、無人化工廠提升制造業的國際競爭力。德國的生產制造行業是最受矚目的，也是發展水平最高的國家。因此，我們 在對歐盟智能制造裝備進行研究和分析時，以德國的智能制造裝備研究為核心來 進行詳細的分析和研究。就當前來講，德國在2010年就已經與歐盟其他國家聯 合進行設計活動，并且德國所參與的計劃已經被稱為“工業4.0”計劃，德國當前 的發展已經有顯著的趨勢，并且在未來的智能發展也是非

11、常顯著的。在“工業4.0” 計劃中，主要是以德國的制造業來作為歐盟計劃之首，并且為這項計劃中的智能 制造裝備研究投入大量的資金支持，所以，當前德國已經將“工業4.0”計劃作為 國家統的戰略目標。目前國外智能制造研究已經較為成熟。自日本從美國引進第一臺機器人之后，日本的經濟得到了快速的發展，并且 帶動工業需求量的不斷增多，使工業機器人的應用領域也不斷擴大。現在日本已 經成為擁有先進工業機器人最多的國家之一。1.3.改進及創新與傳統制造相比，智能制造系統具有以下特點：IMS不僅僅是一種“人工智 能”系統，而是一種人機集成的智能系統，是一種混合智能。同時，在運行過程 中具有自診斷，自故障排除和自維護

12、能力。這使得智能制造系統能夠自我優化適 應更加復雜的環境。通過改進，解放了人力，可以代替人類在危險惡劣的環境下 進行工作，安全可靠，并且可以無間斷工作，大大提高了效率，工業機器人的廣 泛應用減少了人類經濟，具有良好的經濟效益。1.4研究內容及方法研究內容1、掌握工業機器人編程及I/O通訊。2、掌握數控機床PMC與外部設備通訊。3、掌握西門子PLC編程方法及通訊方法。4、掌握工業機器人、數控機床及料倉集成為智能制造產線的方法。研究方法1、先收集資料，確定方案，確定選材。2、再擬定系統設計方案。3、完成各部分程序編制，驗證程序正確性。1.5本章小結本章分析了智能制造產線設計的研究背景，說明了國內外

13、的發展狀況，說明 了工業機器人的顯著特點，提出了工業機器人和生產線的應用領域，最后對本課 題所需的研究內容和研究方法進行了介紹。第2章系統總體方案設計智能制造產線主要是通過各個設備之間的相互連接以及有序的配合來代替 人工，實現高效生產。本章通過對設備的選擇，操作流程的分析，以及讓總控 PLC作為中介來完成總體方案設計。本次設計的智能制造產線是用自動化設備取代人工操作，操作員只需要在料 架放毛坯料以及從料架取走加工好的成品即可。機器人對毛坯料的夾取以及放回 均可以在無人狀態下進行。具體要求：1、智能制造產線所加工成的零件精度達到要求。2、智能制造產線可以完成所要求的流程以及完成所有工序。3、分為

14、自動控制和手動控制，自動模式下，生產線所有流程不需要人工參 與，手式下需要人工對設備進行調試。2.1設備選擇智能制造產線主要由數控機床，工業機器人以及總控PLC組成，數控機床主 要由數控車床、加工中心以及自動化夾具組成；工業機器人部分包括快速手爪， 快速支架以及機器人導軌。下面對組成部分分別做出說明：數控機床是對毛坯進行加工的重要設備，本次選用的機床有以太網接口；提 供自動化接口，能實現數控車床的遠程啟動、程序可上傳到車床內存，能獲取機 床的狀態信息、機床的模式、主軸的位置信息并且留有與主控系統的I/O接口。 加工中心自動化夾具和自動門的控制與反饋信號可以直接接入機床自身的I/O 模塊，并且由

15、機床自身來控制可滿足零件所要求的加工精度。數控機床選擇的是 寶雞CK40數控車床和VMC850L加工中心。機器人是工件在料架與數控機床之間移動的設備，工業機器人選用華數 HSR-JR620L型機器人?？偪豍LC選用的是西門子S7-1200系列。工業機器人、數控車床、加工中心三種設備是本文要實現智能制造產線的重 要設備，要實現整個的工作流程，設備之間必須有可靠的通訊以及接線PLC作 為控制中心，實現機器人與車床和加工中心之間的信號交互。2.2生產線總體設計生產線設備布局總控PLC負責機器人與數控機床之間的信號通訊，使機器人與數控機床的生產 節拍能夠協調。數控車床與加工中心并列擺放，在數控車床與加

16、工中心前放置機 器人及導軌，機器人在導軌上進行移動，實現工件在數控車床和加工中心的上下 料過程。為了整個工作流程能夠有序平穩地進行將各個設備合理擺放。整個工作流程以總控PLC作為主控設備，總控PLC與機器人之間的通訊可 以傳遞取料、放料等信號，機器人從料架夾取毛坯料以及把工件放回料架?？偪?PLC與數控車床和加工中心的通訊可以實現把毛坯料放入進行加工及取出工件， 還可以給出數控機床開關門的指令。生產線運作流程對智能制造產線運作流程設計來說最基本的是確保工作流程可以有序的進行，各 個設備不發生碰撞。工作流程如圖2-2所示數控車床等待上料料架是否有料機器人是否空閑機器人將毛坯從料架送入 數控車床請

17、求添加毛坯料機器人繁忙數控車床開始加工圖2.2工作流程圖1、工件在料架與數控機床床之間的移動通過機器人的運動實現。2、機器人從料架夾取毛坯后，從導軌上運動，把毛坯運送至數控車床自動 門門口，機器人把請求數控車床開門的信號傳遞給總控PLC；總控PLC接收到 此信號之后把此信號傳遞給數控車床，數控車床自動門打開，數控車床把自動門 已經打開的信號傳遞給總控PLC；總控PLC把自動門打開的信號傳給機器人， 機器人收到門已經打開的信號后把毛坯放入數控車床，機器人把毛坯送入數控車 床，毛坯料靠近夾盤后，機器人把請求夾盤松開的信號傳遞給PLC；總控PLC 收到信號后傳遞給數控車床，數控車床收到信號后夾盤松開

18、，數控車床把夾盤松 開的信號傳遞給總控PLC；總控PLC收到信號后把夾盤松開的信號給到機器人， 機器人收到夾盤松開信號后把毛坯放入夾盤，機器人把請求夾盤夾緊的信號傳遞 給總控PLC； PLC收到信號后把信號傳遞給數控車床，數控車床收到信號后夾 盤夾緊，數控車床把夾盤夾緊的信號傳給總控PLC； PLC把此信號傳給機器人， 機器人收到信號后松開毛坯退出數控車床，機器人把請求自動門關門信號給PLC； 此信號PLC傳遞給數控車床，數控車床收到信號后自動門門關閉，機器人在安 全位置等待。3、數控車床加工完成后，數控車床把加工完成的信號發給總控PLC； PLC 收到信號后，把信號傳遞給機器人，機器人收到信

19、號后去夾取經過數控車床加工 的毛坯，機器人到達車床自動門口，把請求開門到加工中心門口通訊信號傳遞給 總控PLC請求開門，總控PLC接收到此信號之后把此信號傳遞給數控車床，數 控車床自動門打開，數控車床把自動門已經打開的信號傳遞給總控PLC；總控 PLC把自動門打開的信號傳給機器人，機器人收到門已經打開的信號后去夾取毛 坯料，毛坯經機器人夾取后運到加工中心，機器人把請求開門的信號傳給總控 PLC； PLC把此信號傳遞給加工中心，門打開，機器人把毛坯放入加工中心，機 器人把毛坯送進去機器人松開毛坯退出加工中心，發信號給PLC請求加工中心 關門，此信號通過PLC給加工中心，加工中心門關閉，機器人在安

20、全位置等待， 加工完成，加工中心發信號給PLC，此信號通過PLC傳遞給機器人，機器人夾 取工件放回到料架。一個工件加工完成。2.3本章小結本章主要介紹了智能制造產線設備的選擇介紹了所選的車床和加工中心，在 通信控制方面，主要以PLC為中間設備，實現PLC與機器人以及PLC與數控車 床和加工中心之間的信號通訊。在生產線的布局設計方面，設計了其基本工作流 程，對整個零件的上料，下料以及機器人的夾取放回進行了詳細設計說明，對生 產線進行了布局設計。第3章工業機器人程序設計由第2章整個智能制造產線的流程運作可以知道，工件在料架與數控機床之 間的移動通過機器人來實現。機器人作為整套設備不可或缺的設備，在

21、整個工作 流程中起著至關重要的作用，本章對機器人進行詳細介紹與說明。3.1工業機器人簡介工業機器人是一種面向工業領域的多關節機械手或多自由度機械裝置。它能 自動工作，是一種依靠自身的動力和控制能力實現各種功能的機器。它能接受人 類的指令，按預先安排的程序運行?，F代工業機器人也可以根據人工智能技術制 定的原理程序來進行工作。歐洲和日本占據量較大，瑞士 ABB、德國庫卡(KUKA)、日本(FANUC)、 YASKAWA占國內60%-80%。在工業機器人領域有著深入的研究以及創新能力， 并且有著自己各具特色的創新路線和產品。德國工業機器人的研究以及應用在世 界上處于領先地位。我國初期在機器人領域的研

22、究主要集中在高校和科研院所，但隨著我國機器 人市場的不斷擴大，工業機器人的研究和創新逐漸由高校和科研院所向企業轉移， 因為大多數企業都是在小批量生產中生產工業機器人的核心部件。因此，我國機 器人產業的發展方向是培育具有國際競爭力的企業，促進中小企業的發展。先進技術工業機器人集精密、柔性、智能、軟件應用開發等先進制造技術于 一體。通過對過程的檢測、控制、優化、調度、管理和決策的實施，可以增加產 量，提高質量，降低成本，減少資源消耗和環境污染，是工業自動化水平的最高 體現。技術升級型工業機器人和成套自動化設備具有精細制造、精細加工、柔性 生產的技術特點。它們是繼動力機械和計算機之后，全面延伸人的體

23、力和智力的 新一代生產工具。它們是實現生產數字化、自動化、網絡化、智能化的重要手段。 廣泛應用的工業機器人和成套自動化設備是關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、 物流等生產環節，廣泛應用于汽車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電 器、電力、集成電路設備、軍工、煙草、金融、醫藥、冶金、印刷出版等多個行 業，具有廣闊的應用前景。工業機器人及其自動化技術是一門綜合性的學科。它 集成了多個學科，涉及多個技術領域，包括工業機器人控制技術、機器人動力學 與仿真、機器人結構有限元分析、激光加工技術、模塊化程序設計、智能測量、 建模與加工集成、工廠自動化、精細物流等先進的系統技術是全面的。3.2工業機器人選

24、擇機器人程序啟動后，先在導軌上移動去料架夾取毛坯料，夾取毛坯后把毛坯 放入車床進行第一道程序的加工，數控車床加工完后機器人夾取經過加工的毛坯 料放入加工中心進行第二道程序的加工，加工完成后，機器人夾取工件放回到料 架。在這種產線設計中機器人替換工件的手動裝載和卸載，機器人抓取毛坯料的 過程需要精確，必須確保機器人按照規定路徑移動，在夾取過程中也要確保機器 人不與其他設備發生碰撞。華數機器人從成立以來，以自主創新為己任，以數控技術為基礎，以質量為 生命，以產品創新為核心，以市場應用為導向，以企業產業升級為目標，打造國 家品牌工業機器人。華舒機器人注重工業機器人的研發和整機性能及可靠性。華 曙機器

25、人擁有一系列機器人，負載范圍為3kg-21kg產品，充分滿足了不同行業 裝卸、焊接等細分行業的不同需求。華舒機器人是國內工業機器人產品研發、制 造和應用的領先品牌，機器人自動化解決方案的專業工程承包商，智能制造和智 能工廠整體解決方案的專業提供商。目前，華舒機器人已掌握機器人的4個關鍵 部件，6個系列30多個完整機器人，攻克了一批核心技術和關鍵技術，形成了 300多項自主知識產權。它已廣泛應用于家電、3C、五金、汽車零部件、裝配、 機械加工等領域，在某些細分市場上具有與四大家用機器人競爭的能力。 HSR-JR620L型機器人結構緊湊，運動速度快，具有較高重復定位精度和軌跡跟 蹤精度。表3-1

26、HSR-JR620L型機器人各關節指標:自由度6負載20kg最大工作半徑1848mm重復定位精度土 0.06mm運動范圍J1 軸 160J2 軸-175 /+75J3 軸 +40 /+265J4 軸 180J5 軸 125J6 軸 360J1 軸 88 /s ,1.53rad/sJ2 軸 66 /s ,1.15 rad/s額定速度J3 軸 120 /s , 2.09 rad/sJ4 軸 178 /s, 3.11 rad/sJ5 軸 178 /s, 3.11 rad/sJ6 軸 225 /s , 3.93 rad/s最高速度J1 軸 96 /s , 1.68 rad/sJ2 軸 88 /s ,1

27、.53 rad/sJ3 軸 19 /s , 3.35 rad/sJ4 軸 287 /s , 5.18 rad/sJ5 軸 297 /s ,5.18 rad/sJ6 軸 375 /s, 6.54 rad/s本體重量305kg華數Hspad示教器是用于華數工業機器人的手持編程器具有使用華數工業 機器人所需的各種操作和顯示功能。表3-2華數Hspad示教器介紹標簽項說明1用于調出連接控制器的鑰匙開關。只有插入 鑰匙后，狀態才可以被轉換。2緊急停止按鍵3點動運行鍵4用于設定程序調節量的按鍵5用于設定手動調節量的按鍵6菜單按鈕7暫停按鈕8停止鍵9預留10開始運行鍵11輔助按鍵3.3工業機器人的工作流程本

28、文所設計的機器人上下料運作流程圖如下程序啟動圖3.3工作流程圖工業機器人的運動包括各個關節軸的運動以及手爪的開合，這些動作通過運 行在工業機器人的程序驅動執行。機器人程序啟動后，開始依據事先設定好的程 序進行工作，首先工業機器人在立式料架夾取毛坯料后通過在導軌上移動把毛坯 料送入數控機床進行加工，機床卡盤夾緊后，機器人退出機床，在機床外安全位 置等待，等毛坯料加工完成之后機器人將經過加工的毛坯料放到加工中心進行加 工，加工完成后機器人將加工完成的工件放回料架，之后再夾取另一個毛坯料， 循環就此完成一盤工件的加工。3.4工業機器人的程序設計機器人程序編制完成以后，打開到自動運行狀態，機器人開始工

29、作，機器人 從料倉夾取毛坯料。機器人夾取后再經過各個關節運動到車床門口，通過PLC給數控車床請求上 料的信號，車床得到上料請求信號后進行上料作業，執行車床門打開的程序步驟， 此時機器人進行上料，機床通過PLC得到卡盤松開指令，機器人上料，將毛坯料 放入卡盤，機床通過PLC得到卡盤夾緊指令，機器人氣爪松開，同時給PLC 上料 完成的信號，此信號給到車床，機器人上料動作完成后，退出機床，此時給PLC 一個已退回安全位置的信號并到安全位置等待，機床通過接收信號后自動門關閉， 對毛坯料進行加工，執行車床的加工程序。毛坯料加工完成后，數控機床給PLC加工完成信號，機床自動門打開，機器 人夾取未加工完成零

30、件，給PLC信號，PLC給加工中心信號;機器人上料，將毛 坯料放入加工中心門口，通過PLC給加工中心請求上料的信號，加工中心得到上 料請求信號后進行上料作業，執行車床門打開的程序步驟，此時機器人進行上料， 同時給PLC 上料完成的信號，此信號給到加工中心機器人上料動作完成后，退出 加工中心，此時給PLC 一個已退回安全位置的信號并到安全位置等待;加工中心 通過接收信號后自動門關閉，對毛坯料進行加工，執行加工中心的加工程序。毛 坯料加工完成后，加工中心給PLC加工完成信號，機床自動門打開，PLC給機器 人加工完成信號，機器人夾取工件放到料架，加工完成。再夾取另一個毛坯料， 循環就此完成加工。表3

31、-3機器人發給總控PLC的信號表PLCmodbus機功變定義功值說明通訊地址器能量能人類內型機器 人發 給總 控 PLC部地址88寫int機器人狀態（系統數據）機器人狀態99寫int機器人 home 位（第2參 考點）確 認（系統數據）機器人home位1010寫int機器人模式（系統數據）機器人模式1111寫int機器人 運行狀 態忙/空 閑IR90 0:空閑 1：忙1212寫int取料位置響應IR111313寫int放料位置響應IR121414寫int設備號相應IR131616寫intIR243:車窗松開4：車床夾緊5：銑床 夾具1松開6：銑床夾具1加緊7：機床 啟動8：報警9： RFID完

32、成11:車床放 料完成12：車床取料完成13： CNC放料 完成14： CNC取料完成15：料倉放料完 成16：銑床夾具2松開17：銑床夾具2 夾緊表3Y總控PLC發給機器人的信號表PLCmodbus 通 訊地址機器 人內 部地 址功能變量類型定義功能值說明總控PLC發給機器人11讀int取料位IR1522讀int放料位IR1633讀int設備號IR171:車床2：銑床55讀int車床安全門IR190 :打開1：關閉66讀int加工中心安 全門IR20 0：打開1：關閉77讀int手爪類型IR2188讀int外部使能信 號外部使能保持1010讀int確認信號IR251111讀int車床卡盤信

33、號IR26 0：打開1：關閉1212讀intCNC卡盤信號IR271：夾具1打開2：夾 具1關閉3：夾具2打開4： 夾具2關閉1313讀int取料產品型 號IR281414讀int放料產品型 號IR291616讀int外部模式啟動信號（下降沿有效）1：加載程序2：開始運行程 序3：暫停運行程序4：回 復運行程序工業機器人上下料部分程序如下所示：0 START車取IF IR13=1 AND IR11=0 AND IR120 THEN 設備號響應 取料位置 響應放料位置響應MOVE EXT_AXES ER3車床位置DELAY EXT_AXES 10CALL B車床取料子程序IR4=3機器人步驟寄存

34、器SLEEP 100END IF銑取IF IR13=2 AND IR11=0 AND IR120 THEN 設備號響應 取料位置 響應放料位置響應MOVE EXT_AXES ER4銑床位置DELAY EXT_AXES 10CALL C加工中心取料IR4=3SLEEP 100END IFEND IF車放IF IR4=2 THENIF IR13=1 AND IR12=0 THEN 設備號響應 放料位置響應MOVE EXT_AXES ER3車床位置DELAY EXT_AXES 10 車床放料子程序CALL B1車床放料子程序SLEEP 100GOTO LABEL1END IF銑放IF IR13=2

35、AND IR12=0 THEN 設備號響應 放料位置響應MOVE EXT_AXES ER4銑床位置DELAY EXT_AXES 10CALL C1 加工中心放料SLEEP 100GOTO LABEL1END IF31END IF放料IF IR4=3 THENIF IR120 THEN 放料位置響應MOVE EXT_AXES ER2料倉取放位置DELAY EXT_AXES 10CALL D 調用料倉放料SLEEP 100GOTO LABEL1END IFEND IFEND3.5本章小結本章首先對工業機器人進行了簡介，其次對工業機器人進行了選擇，本文選 擇了華數機器人，對機器人的運作流程進行了設計

36、，并對機器人運作方式進行編 程設計，機器人與PLC之間的信號交互，詳細說明了了機器人的上下料，給出PLC 與工業機器人之間的信號交互。第4章數控機床PLC設計4.1數控機床簡介數控機床是一種裝有程序控制系統的機床，是數字控制機床的簡稱，它能夠 根據已經編程好的程序加工所需要的零件。數控機床的基本組成包括加工程序載 體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。數控機床解決了零 件加工數量多的問題，是一種柔性、高效的自動化機床，它代表了現代機床控制 技術的發展方向，是一種機電一體化產品。如今已經被大規模的使用，大大的提 高了工廠生產零件的效率。與普通機床相比較，數控機床有以下特點：對所需加

37、 工零件的適應性強，適應產品的單件生產，提供了適合單件產品的加工方法；加 工精度高，加工質量好；可以進行多坐標的聯動，能夠加工更加復雜的零件；加 工不同的零件時，一般只需要更改編程的數控程序，這樣就可以節省大量的時間； 機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產效率高；機床自動化 程度高，可以減輕勞動強度；有利于現在的生產管理。數控機床采用了計算機的 控制方法，為計算機的輔助設計、制造及管理一體化奠定了一定的基礎。與傳統機床相比，數控機床具有以下特點：靈活性高：在數控機床上加工零 件主要依靠加工程序，不同于普通機床。它不需要制造、更換許多模具和夾具， 也不需要頻繁調整機床；加工精度高

38、：數控機床加工精度一般可達0.05-0.1mm， 數控機床以數字信息為基礎，數控裝置每次輸出脈沖信號，機床運動部件都會產 生脈沖當量（一般為0.001mm），機床進給傳動鏈反向間隙與螺距的平均誤差可 以由數控裝置補償。因此，數控機床的定位精度較高，加工質量穩定可靠：加工 同一批零件，在同一機床上，在相同的加工條件下，使用相同的刀具和加工程序， 刀具軌跡完全相同，零件一致性好，質量穩定；生產率高：數控機床能有效縮短 零件的加工時間和輔助時間，數控機床的主軸轉速和進給量范圍大，允許機床進 行大切削量強切削。數控機床正進入高速加工時代。數控機床運動部件的快速移 動和定位以及高速加工大大提高了生產率。

39、另外，與加工中心的刀庫配合使用， 可實現在一臺機床上進行多道工序的連續加工，減少了半成品的工序間周轉時間， 提高了生產率。改善工作條件：數控機床在加工前是經過調整后，輸入程序并啟 動，機床可自動連續加工至加工結束。操作者要做的就是輸入和編輯程序，裝卸 零件，準備刀具，觀察加工狀態，檢查零件。大大降低了勞動強度，使機械操作 人員的勞動趨于智能化。另外，機床一般是結合起來，既清潔，又安全。隨著生產管理的現代化和數控機床的加工，可以提前準確估計加工時間，規范使用工裝 夾具。隨著管理的現代化，機械加工信息的標準化很容易實現。它與計算機輔助 設計和制造有機結合，是現代集成制造技術的基礎。數控系統的選擇數

40、控機床選用寶雞CK40數控車床和VMC850L加工中心，表4.1 CK40數控車床技術規格:項目單位CK40加工范圍床身上最大回轉直徑mm400床鞍上最大回轉直徑mm260最大車削長度mm400最大車削直徑mm285最大棒料直徑mm42主軸液壓卡盤直徑mm165主軸頭型式A2-5(GB/T5900.1)主軸通孔直徑mm57主軸轉速r/min70-3000主電機功率kW7.5尾座套筒直徑或行程mm70/80床鞍傾斜角度DEG45移動距離X/Zmm165/410快速移動速度X/Zm/min12/16刀架刀位數8/12刀具尺寸（車削、鏜孔）mm20*20/30其它電源kvA35體積（長*寬*高）mm

41、2370*1670*1970總重量Kg3000CK40數控車床是引進國外先進技術制造的具有國內先進水平的車床，能滿 足國內市場對中高檔數控車床的需求。本機床是一種剛性高、精度高、精度保持 性好、生產效率高、操作方便、外形美觀、理想的三防泄漏數控機床。床身、底座、鞍座、滑板采用高強度鑄鐵；高剛性、寬矩形淬火導軌；主軸采用HRB大直 徑精密角接觸推力球軸承和雙列圓柱滾子軸承組合布置；刀架精度高、剛性好、 刀具選擇短機床注重邊緣技術設計，保護可靠。表4-2 VMC850L加工中心技術規格:技術規格單位VMC850L工作臺工作臺面積(寬*長)mm500*1000T型槽mm5-18*90允許負載kg45

42、0主軸主軸錐孔/ISO40主軸電機功率kW7.5/11主軸最高轉速r/min8000行程X軸左右行程mm800Y軸前后行程mm500Z軸上下行程mm500主軸端至工作臺面距 離mm80-680主軸中心至立柱導軌距離mm560進給X、Y軸快速移動速度m/mn32Z軸速移動速度m/min20最大切削進給速度mm/min10000刀庫刀庫容量pcs16/20/24最大刀具重量g8精度定位精度(GB/T18400-2010)mm0.014/0.014/0.020重復定位精度(GB/T18400-2010)mm0.010/0008/0.013機床凈重kg6000外形尺寸mm2700*2500*2650V

43、MC850L 立式加工中心，是一種三坐標聯動、性價比高的數控加工機床。適用于加工精度和生產率要求較高的零件。它可以完全消除一些特殊的夾具和標 記工藝，大大降低工人的勞動強度。主軸采用專業廠家生產的精密主軸單元，主 軸軸承均為世界知名高精度品牌，緊密接觸推力球軸承保證主軸的高精度和高剛 度；機床的I/O部分采用印刷電路板與數控部分高度集成，大大降低了故障率， 使布線整齊，結構合理。數控車床和加工中心都使用華中數控系統。華中8型智能數控系統是華中數 控2010年通過自主創新，研發的新一代基于多處理器的總線型高檔數控系統。 系統充分發揮多處理器的優勢，在不同的處理器分別執行HMI、數控核心軟件 及P

44、LC，充分滿足運動控制和高速PLC控制的強實時性要求，HMI操作安全、 友好。采用總線技術突破了傳統伺服在高速高精時數據傳輸的瓶頸，在極高精度 和分辨率的情況下可獲得更高的速度，極大提高了系統的性能。系統采用3D實 體顯示技術實時監控和顯示加工過程，直觀地保證了機床的安全操作。華中8型智能數控系統NCUC高速現場總線，多通道、多軸聯動控制技術， 納米插補技術，前瞻預讀功能，小線段高速平滑，雙軸同步控制，刀具空間長度 補償（RTCP），復合加工，誤差補償，對話式式編程。華中數控系統除了功能、 性能、可靠性、開放性高等優點外，其在機床上安裝接線也比國外數控簡單、整 潔。華中8型智能數控系統輔助功能

45、S指令：直接指定主軸轉速的方法主軸 功能S控制主軸轉速，其后的數值表示主軸速度，單位為轉/分鐘（r/min）。用代 碼指定主軸轉速的方法在有些機械變檔的車床中，通過在S后指定一個數值， 則給機床輸入一個代碼信號，由此來控制機床端的主軸轉速。T指令：T代碼用 于選刀，其后的數值表示選擇的刀具號，代碼與刀具的關系是由機床制造廠規定 的。銑削系統（M系列）在加工中心上執行T指令即給機床輸入一個代碼信號 或選通脈沖信號，由此來控制刀庫轉動至所選擇的刀具，然后等待，直到M06 指令作用時自動完成換刀。車削系統（T系列）T代碼用于選刀和換刀，其后 的數字表示選擇的刀具號和刀具補償號。同一把刀可以對應多個刀

46、具補償；也可 以多把刀對應一個刀具補償。執行T指令，轉動轉塔刀架，選用指定的刀具。同 時調入刀補寄存器中的補償值（刀具的幾何補償值即偏置補償與磨損補償之和）。 執行T指令時并不立即產生刀具移動動作，而是當后面有移動指令時一并執行。 當一個程序段同時包含T代碼與刀具移動指令時：先執行T代碼指令，而后執 行刀具移動命令。4.2數控機床工作流程數控機床工作流程圖如圖4.1所示:圖4.1數控機床工作流程圖數控車床等待機器人從料架夾取毛坯料，等機器人把毛坯料送到車床自動門 口時，機器人先把請求開門的信號發給總控PLC，再由PLC把此信號發給車床， 車床自動門打開，車床把打開門的信號通過PLC發給機器人，

47、機器人得到命令把 毛坯放入車床，等夾盤夾緊后，機器人退出車床，并在安全位置等待加工，等車 床加工完成后，把加工完成的信號給PLC，再由PLC把此信號發給機器人，機器 人去夾取經加工的毛坯機器人把經加工的毛坯送到加工中心自動門口，機器人先把請求開門的信號 發給總控PLC；再由PLC把此信號發給加工中心，加工中心自動門打開，加工中 心把打開門的信號通過PLC發給機器人，機器人得到命令把毛坯放入加工中心， 機器人退出加工中心，并在安全位置等待加工，等加工中心加工完成后，把加工 完成的信號給PLC，再由PLC把此信號發給機器人，機器人去夾取工件，將工件 放回到料架。再夾取另一個毛坯料，循環上述過程完成

48、加工。上述過程中，毛坯料在數控車床和加工中心之間的移動通過機器人夾取；門 開、門關、加工前的準備以及加工完成的信號通過總控PLC傳遞4.3數控機床程序設計數控機床程序編制：CNC機床是按事先編好的加工程序進行零件加工的。 程序編制的好壞直接影響零件加工質量、生產率和刀具壽命等。一個好的編程員 應該是一個好的工藝員、設備員和能熟練掌握、靈活運用CNC機床編程功能的 操作員。所謂程序編制，就是編程員根加工零件的圖樣和加工工藝，將零件加工 的工藝過程、工藝參數、加工路線以及加工中需要動.作，如換刀、冷卻、夾緊、 主軸正反轉等，按照加工順序和所用CNC機床規定的指令代及程序格式變成加 工程序單。再將程

49、序單中的全部內容輸入到數控裝置中，從而指揮CNC床加工。 這種根據零件圖樣和加工工藝轉換成數控語言并輸入到數控裝置的過程稱為數 控加工的程序編制。輔助功能：M指令輔助功能代碼由地址字M及其后的數字組成，主要用于控制零件程序的走 向機床各種輔助開關動作以及指定主軸啟動、主軸停止、程序結束等輔助功能。表4-3 PLC部分通用M代碼M00程序暫停M01選擇停M02程序結束M03主軸順時針轉M04主軸逆時針轉M05主軸停止旋轉M06換刀M19指令主軸定向M20指令取消主軸定向M30程序結束并返回M93程序暫停M98子程序調用M99子程序調用返回PMC簡介:PMC是指可編程控制器,也就是PLC,它是CN

50、C系統的一個組成 部分。PMC對機床控制面板的各個按鍵、旋鈕輸入信號進行編譯處理，以控制數 控系統運行狀態；對輔助功能指令（M、S、T）的譯碼，對輔助功能的接口信號 進行譯碼處理，將它轉化為相應的控制指令，通過與其它狀態的邏輯運算控制機 床的運行。如刀具交換、冷卻啟停、工作臺交換等；機床外部輸入輸出信號的控 制，將機床側的各類開關信號送入PLC，經邏輯運算后，將運算結果送入到輸出 口，控制機床側的動作，如：液壓系統的啟停、刀庫（或轉塔）、機械手、工作 臺交換機構等的控制；伺服控制，控制主軸和伺服進給驅動裝置的使能信號，以 滿足伺服驅動的條件，控制機床的運行。PMC的控制信號來自兩個部分，一個

51、是機床MT側，一個是NC側，PMC給數控系統G信號，PMC收到數控系統發 出的F信號；PMC給機床Y信號，PMC收到機床給的X信號。M指令獲取MGETMGET地址1地址2參數參數格式數據類型存儲區域說明屬性地址1 INT常數通道號前置。地址2INT常數M代碼號后置x功能說明:過參數1選擇的通道，參數2選擇需要判斷的M代碼序號，當該 通道獲取到了該M代碼，則輸出為“1”，否則輸出為“0”。M指令應答MACKMACK地址1地址2參數參數格式數據類型存儲區域說明屬性地址1 INT常數通道號前置。地址2 INT常數M代碼號后置x功能說明:該通道有M代碼執行完畢需要對該M代碼應答，當應答完成表示 該M指

52、令可以繼續下面的指令。表4Y自定義M代碼:車床M87卡盤緊M88卡盤松M128加工中M100加工完成M7冷卻開M9冷卻關M110門開M111門關加工中心M111門關M110門開M7冷卻開M9冷卻關M128加工中M100加工完成M87卡盤緊M88卡盤松開發自定義M代碼后，下面對M代碼實現的功能行說明。M110譯為動門打開，打開到位指令；M111譯為動門關閉，關閉到位指令； M7譯為冷卻開；M9譯為冷卻關；M87譯為卡盤緊；M88譯為卡盤松；M128譯為 加工中；M100譯為加工完成。數控機床加工程序M110M88M87M111M128G04X10.（加工過程程序）M100M88M110M304.

53、4本章小結本章首先進行了數控機床的簡介，選擇了數控機床的型號，并且對CK40數 控車床和VMC850L加工中心進行了規格介紹，其次對數控系統的工作流程進行了 介紹，最后對數控系統的程序進行了設計。在程序設計中介紹7M指令，介紹了 M指令的獲取和應答，對PMC進行了簡介，自定7M代碼，最后給出了數控機床 的加工程序。第五章 總控PLC程序編制PLC簡介可編程序控制器（PLC ）是一種專為工業環境應用而設計的數字操作電子系 統。它采用一種可編程存儲器，存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數、算術運 算等指令，通過數字或模擬量輸入控制各種機械設備或生產過程。20世紀70年代初，微處理器出現；70年代中后

54、期，PLC進入實用化發展階 段，計算機技術全面引入PLC，使其功能實現飛躍；80年代初，PLC在先進工 業國家得到廣泛應用；80年代至90年代中期，PLC在這一時期實現了可編程在 PLC發展最快的行業中，年增長率一直保持在30-40%。20世紀末，PLC的發展 特點更適合現代工業的需要。工作原理：PLC投入運行時，其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執行 和輸出刷新三個階段。完成這三個階段稱為掃描周期。在整個運行過程中，PLC 的CPU以一定的掃描速度重復上述三個階段。功能特點：可靠性高。因為大多PLC都采用單片微型計算機，所以集成度 高，能保護電路，具有自診斷功能，提高了系統的可靠性，編程簡

55、單。PLC編程 多采用繼電控制梯形圖和命令語句，數量少，易于掌握，使用方便；配置靈活， 可應用于任何控制系統；完整的輸入輸出功能模塊對不同的現場信號有相應的模 板，可直接與工業現場設備連接，通過總線與CPU主板連接，使用時安裝方便， 只需將檢測裝置與執行機構的I/O接口端子及PLC正確連接，即可正常工作，運 行速度快。由于PLC的控制是通過程序控制來實現的，因此PLC的可靠性和運行 速度是繼電器邏輯控制無法相比的。常用PLC型號PLC具有穩定可靠、價格低廉、功能齊全、應用靈活、操作維護方便等優點， 是其能夠長期占領市場的根本原因。PLC控制器硬件采用積木結構，包括主板、 數字I/O模板、模擬I

56、/O模板、專用定位模板、條碼識別模板等模塊。用戶可以 在主板上進行擴展，也可以利用總線技術配置遠程I/O從站，根據需要獲得所需 的I/O數量。PLC不僅實現了各種I/O控制，而且具有輸出模擬電壓和數字脈沖 的能力，可以控制各種伺服電機、步進電機、變頻電機等接收這些信號的設備。在觸摸屏人機界面的支持下，施耐德可編程控制器可以滿足您在過程控制的任何 層次上的需求。在我國，以下總控PLC在我國的占有較高的百分比；生產廠商產品型號日本歐姆龍（OMRON）公司C系列日本三菱（MITSUBISHI）公司Q系列美國通用電氣（GE）公司90-70系類美國羅克韋爾（ROCKWELL ）國際公司Micro Log

57、ix1500、SLC-500 等系列德國西門子（SIEMENS）公司S7系列PLC的選擇西門子S7系列PLC具有體積小、速度快、標準化、網絡通訊能力強、功能 強、可靠性高等優點。S7系列PLC產品可分為小型PLC（如S7-200、S7-1200）、 中型 PLC （如 S7-300、S7-1500）和大型 PLC （如 S7-400）。S7-200plc 是一種超 小型化的PLC，它適用于各行各業，在各種場合自動檢測、監控o S7-300是一個 小型的模塊化PLC系統，能夠滿足應用中的性能要求。各種獨立的模塊可以廣泛 地組合在一起，形成具有不同需求的系統。與S7-200plc相比，S7-300

58、plc采用 模塊化結構，指令運算速度高（0.60.1s）；S7-400plc采用模塊化無風扇設 計，可靠性高，經久耐用，同時，可以選擇多種級別的CPU （逐步升級功能）， 并配備多種通用功能模板，使用戶可以根據需要組合不同的專用系統。為了保證 整個工作過程的順利進行，選用西門子S7-1200系列作為主控PLC。西門子S7-1200是一款結構緊湊、模塊化的PLC，可以完成簡單的邏輯控制、 先進的邏輯控制、人機界面和網絡通訊等任務。單機小型自動化系統的完美解決 方案。該系統易于設計和實現，需要網絡通信功能和單屏或多屏人機界面。具有 先進的應用功能，支持小型運動控制系統和過程控制系統。功能如下：高速

59、輸入， IMATICS7-1200控制器，最多6個高速計數器；高速輸出IMATICS7-1200集成 了兩個100kHz的高速脈沖輸出，用于步進電機或控制伺服驅動器的速度和位置。 記憶。用戶程序和用戶數據之間的可變邊界提供了高達50kb的集成工作內存。 同時，它還提供高達2MB的集成加載存儲器和2KB的掉電保持存儲器；可擴展、 靈活的設計，信號模塊-多達8個信號模塊可以連接到擴展能力最高的CPU，以 支持更多的數字和模擬輸入/輸出信號。博途簡介本文所應用的編程軟件為TIA博途，它是全集成自動化軟件TIA portal的簡 稱，是西門子工業自動化集團發布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業內首

60、個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任 務。借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化 系統。TIA博途采用此新型、統一軟件框架，可在同一開發環境中組態西門子的 所有可編程控制器、人機界面和驅動裝置。在控制器、驅動裝置和人機界面之間 建立通信時的共享任務，可大大降低連接和組態成本。PLC的工作流程總控PLC可以控制整個系統的啟動，停止，復位，PLC給機器人發出啟動 命后，機器人開始工作去料架夾取毛坯料，機床自動門打開、關閉；夾盤松開、 夾緊；機床上下料等信號都是通過PLC來實現的，機器人與數控機床之間的信 號交互都是通過總控PLC協調實現