一種道岔墊板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

杜旭東， 王 琛

（1.中鐵高新工業(yè)股份有限公司， 北京 100000； 2 中鐵寶橋集團有限公司， 陜西 寶雞 721006）

1 現(xiàn)有道岔墊板生產(chǎn)技術(shù)概況

目前道岔墊板生產(chǎn)依靠單機生產(chǎn)，墊板生產(chǎn)主要工序有：下料（剪切）、調(diào)平、鉆孔、機加工、打印標記等。生產(chǎn)工序較為分散，整個生產(chǎn)過程中，板件需經(jīng)人工搬運多次，效率低下、工人勞動強度高，嚴重制約道岔墊板生產(chǎn)。隨著計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，可以針對道岔墊板生產(chǎn)特點設(shè)計一套墊板生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，利用先進的控制技術(shù)使得道岔墊板生產(chǎn)實現(xiàn)流水線作業(yè)[1]。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計思路

該控制系統(tǒng)基于墊板自動生產(chǎn)線設(shè)計，墊板生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求設(shè)計有扁鋼原材上料、校平、原材分料系統(tǒng)至后工序兩條線、一線打號、二線打號、一線鉆孔、二線鉆孔、一線剪切、二線剪切、一線堆碼垛、二線堆碼垛幾個部分。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

控制部分由西門子S7-1200 系列PLC、西門子觸摸屏、西門子伺服、變頻器等組成，橫向料道移動部分采用變頻器控制整包扁鋼板橫向移動，磁力吊的橫向移動采用西門子伺服電機控制，具有定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。生產(chǎn)線設(shè)置有總控計算機，該計算機預(yù)裝有自主開發(fā)的生產(chǎn)線控制軟件，用于整條生產(chǎn)線參數(shù)、加工程序的生成、料單管理以及傳輸，同時兼顧整條生產(chǎn)線各單元信號以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視及控制。該計算機利用西門子總線控制技術(shù)，將各控制部分PLC、控制系統(tǒng)進行連接，組成該生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。同時該控制系統(tǒng)預(yù)留ERP 信息接口[2-3]。

3 控制系統(tǒng)具體設(shè)計方案

該控制系統(tǒng)主要由工業(yè)總控計算機根據(jù)生產(chǎn)計劃料單對原材進行排料、生成自動打號程序信息、自動鉆孔程序信息和自動剪切程序信息，并根據(jù)檢測條件利用計算機網(wǎng)絡(luò)向各部分準確傳輸加工信息，使其自動化生產(chǎn)；同時能根據(jù)料件信息與料單相結(jié)合控制自動分料部分，將料件自動、合理分配至相關(guān)線道。該總控計算機能協(xié)調(diào)各機構(gòu)之間的工作關(guān)系，能及時進入暫停、停止、等待等工作模式。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 主界面設(shè)計

在工業(yè)總控機上打開數(shù)控墊板生產(chǎn)線上位機編程軟件文件后出現(xiàn)初始化界面，初始化界面過后出現(xiàn)主界面，如圖2 所示。

1）加工文件存儲路徑：提供了與EXCEL 軟件的數(shù)據(jù)接口，把需要處理的EXCEL 文件保存于D：XLS文件夾內(nèi)。

2）加工圖紙存儲路徑：提供了與CAD 等繪圖軟件的數(shù)據(jù)接口，把需要處理的DXF 圖紙文件保存于D：DXF 文件夾內(nèi)。

圖2 上位機控制系統(tǒng)主界面

3）程序處理：自動處理選中的工件程序中包含DXF 圖紙中數(shù)量、加工孔的個數(shù)、工件長度等信息。

4）顯示圖形：顯示選中的圖形文件的圖形，顯示孔數(shù)、孔徑、打字內(nèi)容、剪切位置并通過不同的顏色區(qū)分。

5）程序編制：將圖形轉(zhuǎn)化為零件程序。程序處理完畢，會自動彈出對話框。

6）參數(shù)設(shè)定設(shè)定機床需要的加工參數(shù)。

7）文件存放選擇存放的文件目錄，自動保存在D：MPF 文件夾內(nèi)，生成西門子828D 數(shù)控加工程序。

3.2 各單元設(shè)計

總體控制邏輯示意圖見圖3。

圖3 控制邏輯示意圖

3.2.1 自動上料部分控制器

自動上料部分控制器根據(jù)計算機料單信息自動計算所需料件數(shù)量，自動控制該部分運行上料，該部分能自動檢測下道校平工序是否正常、校平機是否正在加工，能向校平工序傳輸上料部分無料、故障等信息使下道工序做出暫停、停止等動作。

3.2.2 自動校平部分控制器

自動校平部分控制器能根據(jù)自動上料部分傳輸?shù)牧霞竭_、故障、無料等信息進行自動校平工作，同時能向自動上料部分控制器和下道自動分料部分控制器傳輸故障、料件到達、校平數(shù)量等信息，連接上下道工序做出等待、暫停等動作。

3.2.3 分料部分控制器

分料部分控制器能根據(jù)上道校平工序傳輸?shù)牧霞竭_信息、數(shù)量信息及時向總控計算機傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)總控計算機發(fā)出的指令信息將校平后的料件自動分撥到相應(yīng)的線道，該部分是與后續(xù)兩條線道的連接部分。

3.2.4 一線打號控制器和二線打號控制器

一線打號控制器和二線打號控制器是相同且獨立的兩套控制系統(tǒng)，分別設(shè)置在道岔墊板生產(chǎn)線后半部。這兩部分能分別檢測到分料部分控制器所傳輸?shù)牧霞竭_信息并向總控計算機發(fā)出信息，并能根據(jù)總控計算機所傳輸?shù)拇蛱栃畔⒆詣印蚀_地在料件上自動打號。該兩部分能分別獨立檢測到分料部分控制器所傳輸?shù)牧霞竭_、故障等信息，能及時做出停止、暫停等動作，并能向上下連接部分控制器做出自身的故障、正在加工等信息使上下工序做出等待、暫停動作。

3.2.5 一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器

一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器是兩套相同且獨立的控制系統(tǒng)，分別與一線打號部分控制器和二線打號部分控制器相連，能根據(jù)上道工序傳輸料件到達信息及時向總控計算機傳輸指令，并根據(jù)總控計算機傳輸?shù)你@孔信息能及時、準確調(diào)取鉆孔信息，一次在料件上自動鉆孔。該部分能根據(jù)上下連接部分控制器自動傳輸故障、待料的信息，同時也能根據(jù)上下連接部分控制器傳輸?shù)墓收稀⒄诩庸さ刃畔⒆龀鰰和！⑼Ｖ沟葎幼鳌?/p>

鉆孔部分以板材6 000 mm×180 mm 示例，先生成DXF 圖紙文件。鉆孔距料頭具體孔間距如圖4 所示，打開上位機軟件，選擇生成的DXF 圖紙，輸入工件參數(shù)如圖5 所示，生成加工程序。

圖4 鉆孔距料頭具體孔間距（單位：mm）

圖5 輸入?yún)?shù)界面

3.2.6 一線剪切控制器和二線剪切控制器

一線剪切控制器和二線剪切控制器是兩套相同的且獨立的控制系統(tǒng)，分別與一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器相連，能根據(jù)上道工序傳輸?shù)牧霞竭_信息向總控計算機傳輸信息，同時能根據(jù)計算機傳輸?shù)募羟行畔⒛茏詣印蚀_地在料件上依次剪切。該部分能根據(jù)上下部分控制所傳輸?shù)墓收稀⒋系刃畔ⅲ瑫r也能根據(jù)上下連接部分控制器傳輸?shù)墓收稀M垛、正在加工等信息做出暫停、停止等動作。

3.2.7 一線堆碼垛控制器和二線堆碼垛控制器

一線堆碼垛控制器和二線堆碼垛控制器是兩套相同且獨立的控制系統(tǒng)，分別與一線剪切控制器和二線剪切控制器相連，能根據(jù)上道工序所傳輸?shù)牧霞竭_、故障等信息做出自動對碼垛、停止等動作，也可以像向上道工序控制器傳輸故障、滿垛等信息。

由于該生產(chǎn)線由6 套數(shù)控系統(tǒng)組成，在所生成的數(shù)控加工程序中自動生成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置檢索語句，不同部分的數(shù)控系統(tǒng)會自動檢索相應(yīng)的加工程序，可以有條不紊的執(zhí)行。

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

本設(shè)計不僅使生產(chǎn)過程變?yōu)榱诉B續(xù)流水線作業(yè)，且在各個工序的操作上實現(xiàn)了計算機控制；實現(xiàn)方式通過人機交互系統(tǒng)進行指令傳達及具體程序編寫，與道岔智能制造這一方向是匹配的，使得道岔墊板加工方式達到了國際先進水平，在同行業(yè)起到引領(lǐng)性作用。

本設(shè)計通過計算機控制的流水線作業(yè)實現(xiàn)智能化操作，對不同型號墊板件由開始的工件準備到最終成品碼垛，均實現(xiàn)了尺寸檢測、規(guī)格區(qū)分、按品種加工制造等功能，絕大部分工序均可替代人工操作，而且有效減少了人工操作的失誤，社會效應(yīng)明顯。

經(jīng)過測算，使用該系統(tǒng)后整體工序操作人員數(shù)量由12 人減為4 人，生產(chǎn)線效率由每班加工800 塊提高為每班加工1 500 塊，且質(zhì)量較人工更加穩(wěn)定，在成本方面具有較大優(yōu)勢，經(jīng)濟效益明顯。