柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）源于美國馬爾羅西（MALROSE）公司，該公司在1963 年制造出了世界上第一條加工多種柴油機(jī)零件的數(shù)控生產(chǎn)線。FMS的概念由英國莫林（MOLIM）公司最早正式提出，并在1965年取得了發(fā)明專利，1967年推出了名為“Molins System—24”（意為可24小時(shí)無人值守自動(dòng)運(yùn)行）的柔性制造系統(tǒng)，使FMS正式形成。此后，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家爭(zhēng)相發(fā)展和完善這項(xiàng)新技術(shù)，使之在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所謂“柔性”，即靈活性，主要表現(xiàn)在：一是設(shè)備柔性，生產(chǎn)設(shè)備的零件、部件可根據(jù)所加工產(chǎn)品的需要變換；二是批量柔性，對(duì)加工產(chǎn)品的批量可根據(jù)需要迅速調(diào)整；三是工藝柔性，對(duì)加工產(chǎn)品的性能參數(shù)可迅速改變并及時(shí)投入生產(chǎn)；四是工序柔性，指系統(tǒng)改變每種工件加工工序先后順序的能力；五是擴(kuò)展柔性，指系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)需要方便地進(jìn)行模塊化組建和擴(kuò)展的能力；六是運(yùn)行柔性，指系統(tǒng)處理其局部故障，并維持繼續(xù)生產(chǎn)原定工件族的能力。

本文所研究的柔性生產(chǎn)線分加工區(qū)、物流區(qū)、MPS工作區(qū)，設(shè)備包括數(shù)控車床、數(shù)控加工中心、機(jī)器人、電伺服軸、12個(gè)MPS工作站等。該系統(tǒng)利用多種機(jī)械傳動(dòng)方式模擬完成產(chǎn)品的加工、裝配、檢測(cè)、入庫等生產(chǎn)流程。構(gòu)成柔性生產(chǎn)線的各工作站均包括獨(dú)立的電氣和可編程序控制器單元，帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O接口用于與PLC板的連接。圖1為柔性生產(chǎn)線組成示意圖。

該柔性生產(chǎn)線的工作流程為：氣伺服倉庫中的氣爪手將毛坯從倉庫中取出后，傳送帶將毛坯送至機(jī)器人抓取位置，機(jī)器人將其放入數(shù)控車床和加工中心加工，加工完的工件被機(jī)器人放到提取工作站，然后開始在不同的MPS工作站中完成檢測(cè)、裝配、入庫等生產(chǎn)流程。

一、柔性生產(chǎn)線中央控制器設(shè)計(jì)

柔性生產(chǎn)線中的MPS工作站由PLC或LOGO控制器進(jìn)行控制；電軸導(dǎo)軌由伺服電動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行控制；數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人分別由自己的控制器進(jìn)行控制。但要保證柔性生產(chǎn)線的正常工作，需由一個(gè)中央控制設(shè)備來處理各設(shè)備間的I/O協(xié)議，控制系統(tǒng)中各設(shè)備工作的先后順序等。該柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)由一個(gè)中央控制柜來控制整個(gè)生產(chǎn)線，該中央控制柜主要由siemens300plc、伺服電動(dòng)機(jī)控制器、RIABOX等組成。

中央控制柜中的siemens300plc與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電伺服軸都建立通信連接，有相互的輸入、輸出，圖2為中央控制柜PLC的通信示意圖。工作時(shí)PLC將收集到的輸入、輸出信號(hào)分配到各設(shè)備控制器中，然后各設(shè)備控制器根據(jù)不同的I/O信號(hào)，執(zhí)行不同的工作，完成柔性生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

中央控制柜里的PLC為柔性生產(chǎn)線的總控設(shè)備，負(fù)責(zé)收集和處理I/O信號(hào)。工作時(shí)將收集到的輸入、輸出信號(hào)分配到各設(shè)備中，然后各設(shè)備的控制器根據(jù)不同的I/O信號(hào)執(zhí)行不同的工作，完成柔性生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。中央控制柜中的PLC共有7個(gè)程序，其中OB1為主程序，采用無條件調(diào)用程序模式。FB1、FC1～FC5為子程序，F(xiàn)B1為生產(chǎn)線工作流程程序，F(xiàn)C1伺服電軸位置控制程序，F(xiàn)C2機(jī)器人抓控制程序，F(xiàn)C3電伺服軸使能控制程序，F(xiàn)C4為限位開關(guān)程序，F(xiàn)C5為系統(tǒng)停止程序。其中FB1采用流程圖編寫，F(xiàn)C1～FC5采用“T型圖”編寫。

二、中央控制柜PLC與數(shù)控機(jī)床的控制連接

柔性生產(chǎn)線中數(shù)控機(jī)床由加工中心MILL55和數(shù)控車床TURU55組成。中央控制柜PLC控制數(shù)控機(jī)床的內(nèi)容包括：氣動(dòng)門的開關(guān)、程序的啟動(dòng)、機(jī)床復(fù)位、停止進(jìn)給、機(jī)床報(bào)警（機(jī)床夾爪的開合由機(jī)器人控制器進(jìn)行控制）。在數(shù)控機(jī)床輸入輸出信號(hào)中，E表示輸入信號(hào)，A表示輸出信號(hào)；當(dāng)機(jī)床輸出信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)PLC則有一個(gè)輸入信號(hào)，當(dāng)機(jī)床要輸入信號(hào)時(shí)，則對(duì)應(yīng)PLC會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)；數(shù)控機(jī)床的信號(hào)地址為PLC中的“3”號(hào)位地址。表1為EMCO加工中心（MILL 55）、EMCO數(shù)控車床（TURN55）與PLC對(duì)應(yīng)的I/O列表。

三、中央控制柜PLC與機(jī)器人的控制連接

1.機(jī)器人的控制

機(jī)器人在柔性生產(chǎn)線工作過程中主要起物流作用，包括：將工件放入機(jī)床中；從機(jī)床中取出工件；從傳送帶中抓取毛坯；將加工完成的工件放置在提取工作站；控制機(jī)床夾具的開合等。機(jī)器人有獨(dú)立的控制器，能通過cosirop軟件編程完成對(duì)機(jī)器人的控制。機(jī)器人在工作過程中的位置如圖3。

2.機(jī)器人工作流程

機(jī)器人的工作流程為：初始狀態(tài)時(shí)機(jī)器人在POS99位置，當(dāng)POS1檢測(cè)有工件時(shí)機(jī)器人去抓取工件，然后將工件放入POS2（turn55）車削加工；加工完后取出，取出后再放入POS3（mill55）進(jìn)行銑削加工，加工完后將工件放入POS4，進(jìn)入MPS工作站。機(jī)器人工作程序如圖4所示。

3.機(jī)器人控制器的輸入、輸出信號(hào)

機(jī)器人控制器中的I/O接口有32位，分別是16位輸入和16位輸出。其中I0至I5和Q0至Q3地址未接信號(hào)；I6、I7、I14、I15、Q4、Q5、Q6、Q7與數(shù)控機(jī)床連接；其他I/O地址與中央控制柜中的PLC連接。其I/O對(duì)應(yīng)地址及作用如表2，其中未寫出地址表示沒用上。

四、中央控制柜PLC與電伺服軸的控制連接

電伺服軸的I/O與PLC進(jìn)行連接，進(jìn)而完成對(duì)伺服軸電動(dòng)機(jī)的控制。該電伺服軸機(jī)構(gòu)屬于半反饋系統(tǒng)，通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來檢測(cè)精度。電動(dòng)機(jī)參數(shù)由Wmemoc__3_3軟件進(jìn)行設(shè)定后下載。伺服電動(dòng)機(jī)的輸入信號(hào)有：2個(gè)使能信號(hào)，4個(gè)位置信號(hào)，2個(gè)極限位置信號(hào)；輸出信號(hào)為3個(gè)工作位置信號(hào)，如表3。

本文介紹了研究對(duì)象柔性生產(chǎn)線的組成、控制模式、連接方法等，著重介紹了中央控制器與數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電伺服軸的控制連接。該系統(tǒng)通過SIEMENS300控制器來接收各工作單元信號(hào)，同時(shí)根據(jù)程序給各工作單元發(fā)出信號(hào)，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在控制過程中，充分利用機(jī)器人控制器完成對(duì)系統(tǒng)的控制，提高了工作效率；在程序編制上，充分應(yīng)用子程序來提高程序效率。該控制系統(tǒng)的建立，將柔性生產(chǎn)線中的各工作單元連接在一起，同時(shí)可以通過改變中央控制器PLC程序來調(diào)整工作流程，從而實(shí)現(xiàn)真正的“柔性生產(chǎn)”。

（作者單位：北京電子科技職業(yè)學(xué)院）