基于PLC控制的工業(yè)自動化生產(chǎn)線的設(shè)計

吳家龍 許光華 李清松 劉洪萊

(山東工業(yè)技師學(xué)院現(xiàn)代制造工程系，山東濰坊261053)

在國內(nèi)大部分的中小型企業(yè)中，軸類工件的加工主要靠人工完成，對于需大批量生產(chǎn)的工件，工人的勞動強度大、效率低，企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量不好保證，生產(chǎn)成本較高，因此，設(shè)計了一條自動生產(chǎn)線。由于PLC具有適應(yīng)性強、可靠性高、抗干擾能力強維修方便、能耗低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)部門[1］。因此，該生產(chǎn)線基于西門子PLC控制系統(tǒng)，結(jié)合NACH1機(jī)器人和發(fā)那科數(shù)控車床開發(fā)而成，可實現(xiàn)軸類工件的自動上下料及加工。

1 工業(yè)自動化生產(chǎn)線的組成及工作過程

1.1 工業(yè)自動化生產(chǎn)線的組成

所需加工的工件根據(jù)工藝安排由四道工序組成，因此該自動生產(chǎn)線包括4臺CKA6140數(shù)控車床、4臺NACHI MC10S-01機(jī)器人、4個液壓工作站、2臺空氣壓縮機(jī)、1臺原料倉、3個輸送機(jī)構(gòu)和1個成品倉組成。1臺機(jī)床和1臺機(jī)器人負(fù)責(zé)一道工序，工業(yè)機(jī)器人從原料倉抓取軸類毛坯件搬運至數(shù)控車床，經(jīng)過四道工序的加工后，由工業(yè)機(jī)器人搬運至成品庫，各工序間通過工業(yè)機(jī)器人和輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行無縫連接，如圖1所示。

1.2 工作過程

由于四道工序的組成及原理類似，因此本文以工序一為例說明該工業(yè)自動化生產(chǎn)線的工作過程。

工序一主要用于完成毛坯的上下料及第一道工序的加工，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主要元件的功能如下:

料倉:用于毛坯的暫時存儲；

頂料氣缸:用于毛坯的定位；

旋轉(zhuǎn)送料機(jī)構(gòu):用于毛坯的送料；

廢料區(qū):用于暫時存儲檢測錯誤或異常的毛坯；

骨架:用于工序一器件的安裝及支撐；

機(jī)器人控制器:用于控制機(jī)器人的運行；

操作面板:用于安裝元器件和操作系統(tǒng)；

控制柜:用于安裝元器件，同時起到防護(hù)作用。

其工作過程為:數(shù)控車準(zhǔn)備(卡盤松開、尾座退回、防護(hù)門打開)→按下急停(急停燈亮)→松開急停(復(fù)位燈閃)→按下復(fù)位(復(fù)位燈亮)→復(fù)位完成(運行燈閃)→按下啟動(啟動燈亮)→機(jī)器人運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備→數(shù)控車循環(huán)啟動→系統(tǒng)運行→旋轉(zhuǎn)送料機(jī)構(gòu)運行→工件檢測→頂料氣缸動作(工件到位)→機(jī)器人復(fù)位→機(jī)器人搬運工件至數(shù)控車(頂料氣缸動作完成)→卡盤夾緊→尾座伸出→機(jī)器人松開工件→機(jī)器人退出車床→防護(hù)門關(guān)閉→工件加工→防護(hù)門打開(加工完成)→機(jī)器人抓取工件→尾座縮回、卡盤松開→機(jī)器人搬運至下一工序。

2 控制系統(tǒng)輸入輸出分配

2.1 PMC輸入輸出分配

數(shù)控機(jī)床用PMC與外部的信號交換包括PMC與CNC的信號交換以及PMC與機(jī)床側(cè)的信號交換[2］。生產(chǎn)線中防護(hù)門、卡盤、尾座、加工以及機(jī)器人取放料信號都要預(yù)先進(jìn)行分配。如表1所示。

表1 PMC輸入輸出分配

2.2 機(jī)器人I/O分配

機(jī)器人的輸入輸出通過CNIN和CNOUT電纜與相應(yīng)的PLC輸出輸入連接。如表2所示。

表2 機(jī)器人I/O分配

2.3 PLC I/O分配

根據(jù)對系統(tǒng)功能要求的分析，該系統(tǒng)為開關(guān)量順序控制系統(tǒng)，共有21個輸入，17個輸出，考慮到成本及以后的功能擴(kuò)展，選用SIMATIC S7-200 SMART可編程控制器CPU ST30及一擴(kuò)展模塊EM DR16即可滿足要求。輸入輸出分配見表3。

3 程序的編寫

3.1 機(jī)床加工程序及PMC梯形圖的編寫

根據(jù)被加工工件的工藝安排在各臺機(jī)床上編寫加工程序，并在原有PMC梯形圖的基礎(chǔ)上，增加一部分，用來實現(xiàn)防護(hù)門、卡盤、尾座的相關(guān)動作，圖3為防護(hù)門開啟的梯形圖。

表3 PLC I/O分配

3.2 機(jī)器人程序的編寫

機(jī)器人程序主要用來實現(xiàn)工件的自動上下料，通過示教與再生完成機(jī)器人程序的編寫。可將其分解為若干個子程序，并在主程序中調(diào)用。主程序如下:

0 [START］

1 REM[“MAIN”］

2 CALLPI[12，I3］

3 CALLPI[4，I4］

4 CALLPI[14，I5］

5 JMP[2］

6 END

在示教過程中，為實現(xiàn)一個程序中反復(fù)使用同一點或不同程序分享同一點，并便于后期因加工工件的不同而更改機(jī)器人的位姿，使用姿勢文件對其進(jìn)行編程。“姿勢文件”是由復(fù)數(shù)機(jī)器人位置(姿勢變量)構(gòu)成的數(shù)據(jù)文件，使用“機(jī)器人語言”的MOVEX命令或應(yīng)用命令“FN645 MOVEX”等指定其中的作業(yè)程序調(diào)用姿勢文件和姿勢變量。

3.3 PLC程序的編寫

PLC梯形圖主要實現(xiàn)機(jī)床和機(jī)器人之間的信號交換及生產(chǎn)線上各電動機(jī)、電磁閥、氣缸、按鈕、指示燈等的控制，是整個控制系統(tǒng)的核心。部分程序如圖4所示。

4 過程監(jiān)控

MCGS具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強的突出特點，采用MCGS組態(tài)軟件對工業(yè)過程進(jìn)行控制，并從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)實時監(jiān)測，保證了系統(tǒng)安全可靠地運行。其監(jiān)視界面如圖5所示。

5 結(jié)語

該生產(chǎn)線對現(xiàn)有車床進(jìn)行了改造，通過增設(shè)液壓站控制卡盤和尾座。采用NACHI機(jī)器人實現(xiàn)工件的自動上下料。整套裝置由PLC進(jìn)行控制，通過機(jī)器人程序的編寫、PLC、機(jī)床PMC梯形圖的編寫實現(xiàn)機(jī)床與機(jī)器人之間的信號交互，并由MCGS進(jìn)行組態(tài)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)試驗驗證該生產(chǎn)線能夠有效地代替人工上下料，實現(xiàn)軸類工件加工的自動化生產(chǎn)，且運行可靠、效率高。另外，根據(jù)被加工工件形狀的不同，只需改變機(jī)器人的手爪結(jié)構(gòu)，調(diào)整一下機(jī)器人的位姿即可投入生產(chǎn)。因此，該生產(chǎn)線適用性較高，擴(kuò)展能力強。