油壓機多工序自動加工單元的組成與控制系統

喬禮惠，劉寧書

（江蘇國力鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州 225009）

我公司近年來開發的伺服泵控油壓機因其具有節能、降噪、控制精度高等顯著優點，在市場上獲得一致的好評，銷量也出現逐年增長的趨勢。但隨著汽車及零配件行業需求的增長，客戶對生產母機機床的生產效率要求也越來越高，促使了機床的運行速度越來越快，同時伴隨著用工成本的不斷增加，也促進了自動化設備的應用，在此基礎上應運而產生了單個自動加工單元，可實現零件單個工序的自動化生產。但同時也可以將多個自動加工單元進行整合實現多工序零件的加工，不但可以解放出更多的勞動力資源，而且企業的綜合運行成本也大大的降低。采用旋轉工作臺結合機器人可實現各工序之間零件的無縫連接，降低等料時間，最大化的提升生產效率。通過互聯網技術，進行機床運行狀態及實時數據的傳送，實現對自動加工單元的遠程診斷，可實現協助使用者迅速排查出故障，解決問題恢復生產。

1 自動加工單元構成

圖1 加工單元現場布置圖

單個自動加工單元由一臺六軸關節式機器人和一臺高速伺服泵控油壓機組成（如圖1所示）。本案例中共有三個自動加工單元采用品字型排布型式，圍繞旋轉工作臺。留出一邊便于上下料，整個生產線即可實現單個自動加工單元的運行也能實現三個加工單元的聯線工作。聯線控制采用現場總線通訊方式，抗干擾能力強，穩定可靠同時處理速度快，并配置專用監控系統。

1.1 機器人

機器人為標準六軸，通過伺服無刷電機驅動，可實現板料的水平移動，端部安裝的端拾器可旋轉180°，安裝有兩路氣源，可實現上下料一次搬運到位。同時端拾器上安裝有雙料檢測系統，可檢測被提升起的板料厚度，如果發現雙料，機器人將最多三次重復抓料，如仍不能解決問題，機器人將停止操作，發出警告提示操作者，去除雙料的工作由手動操作完成。

1.2 高速伺服泵控油壓機

機床滑塊驅動采用中間柱塞缸+兩側活塞缸結構，下壓過程采用公司已授權的噸位轉換技術提高壓制效率，回程僅往活塞缸供油提高滑塊回程速度。泵控伺服應用的目的是當系統需要的流量發生變化時，電機的轉速跟隨流量指令的大小而變化，使得油泵的輸出流量發生變化，即真正做到“要多少給多少”的控制，因此實現了無極調試，高柔性，高精度和節能。

1.3 旋轉工作臺

旋轉工作臺的控制可根據零件工序要求進行設置，可通過操作界面快速便捷的實現旋轉速度、工位的設定。在旋轉工作臺下部設有氣動錐銷，待旋轉到工作時自動進行插銷以保證工作臺的定位精度。

2 PID控制技術

在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制器是應用最廣泛的一種自動控制器，因其具有原理簡單、易于實現、控制參數相互獨立、參數選定比較簡單、調整方便等優點。所以當設計人員不完全了解一個系統和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合采用PID控制技術。在本方案單個自動加工單元中，油壓機的定程位置精度和定壓精度采用了PID控制技術。具體做法為邏輯動作順序控制采用歐姆龍CP1H系列PLC控制，而將機床上的位移傳感器信號、壓力傳感器信號提供給PID控制模塊（控制系統組成框圖如圖2所示），PLC與PID控制模塊間采用Modbus通訊協議進行數據傳輸，實現閉環控制，滿足伺服泵控油壓機在高速運行狀態下的精度保證。在控制系統的試驗時依賴于工作經驗，確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小，而在實際調試時，我們先大致設定了一個經驗值，然后再根據調節效果進行修改。

圖2 控制系統組成框圖

3 遠程診斷

好的控制系統應該具備網絡支持功能，以便充分發揮它控制能力的優勢。對于一個閉環控制系統如果只有幾個輸入接口來控制幾個預設的位置，卻不能簡單快捷的從外部獲得設定點的最新參數，那也算不上靈活。先進的控制系統具有現場總線能很方便地實現與機器人、HMI、PLC等的信息互換。我們在聯線控制系統中繪制出期望的運動曲線，而通過實時的實際運動曲線的采集并比較以及相關的控制信號的監控，進而對整個控制系統進行微調以及必要的診斷修復（如圖3所示），按故障出現對機床動作的影響進行報警信息的分級，以便及時了解機床的故障狀態評估修復時間調整生產計劃，避免出現待工情況。觸摸屏作為人機界面，會對機床運行的各種數據、信號、狀態進行采集、顯示，所以選取觸摸屏帶以太網口的做法是有一定優勢的，而之所以采用以太網是因為以太網技術應用廣泛，為所有的編程語言所支持；易于與Internet連接，實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的無縫連接；通信速度快、穩定性高；可持續發展的空間大。

圖3 遠程診斷監控畫面

4 安全防護系統

整個生產線的安全措施通過硬件和軟件相結合的方式保障人員和設備的安全。硬件措施指在生產線的外圍設置有防護圍欄、安全門和安全鎖等裝置，并具有必要的聯鎖保護。在防護欄的適當位置設有安全門，有的門上均安裝有安全開關及按鈕盒，按鈕盒上設置有復位、開門允許、急停等按鈕用于相關的操作控制。安全門非正常打開時，系統停止運行并報警，在安全門關閉確認到位后，按該門上的“循環開始”帶燈按鈕，生產線才能啟動。當生產線運行發生故障時，即使機器人及油壓機不在起始點時也允許打開安全門，門鎖打開后安全檢測器工作，允許維護人員進入，機器人和旋轉工作臺此時在自動方式下無法運行，但油壓機可在調整模式下運行。軟件措施主要為采用安全PLC進行控制，所有緊急停止信號、安全聯鎖信號全部連入安全PLC系統，通過程序編程進行互鎖控制。

5 結束語

根據客戶廠房布局采用的這種由三套自動加工單元組成的多工序加工方案獲得客戶的好評，具有獨創性和新穎性，加上自動旋轉工作臺的使用，更能滿足客戶小批量多品種產品的加工。同時采用獨特的PID控制技術，使得在機床運行速度大幅提升的同時零件的加工精度也得到了很好的保證。特別是采用遠程診斷功能，可對實時的實際運動曲線進行采集并與期望的運動曲線進行比對以及必要的控制信號的監控，從而實現遠程快速的故障排查及修復，提升工作效率，做到全天候運行的要求。安全防護系統軟硬件措施的應用，有力的保證了整個生產線的安全運行，保障人員和設備的安全。

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