數控機床自動上下料工作站實驗裝置的設計與開發*

韓金利

(山西機電職業技術學院 數控工程系，山西 長治 046000)

0 引言

隨著“工業4.0”以及“中國制造2025”規劃的提出，制造業的轉型升級推動了數控裝備技術的發展[1]。另外，隨著我國經濟的快速發展，人口紅利逐步減少，很多企業出現了招工困難、操作工人流動性大、管理困難等問題，在機加行業中，數控機床上下料實現自動化已經成為必然趨勢，與此同時，企業也需要大量的自動上下料工作站維護維修人員，對于高職院校來說，加強學生在數控機床上下料方面的培訓顯得極其重要。

針對這種情況，本文提出了一種基于828D數控系統的簡易上下料裝置，采用ABB六關節機器人作為運料執行器，以西門子S7-1200為主控制器，使用一臺PC機實現對工作站進行監控，學生還可以利用這臺PC進行編程練習。

1 自動上下料工作站實驗裝置總體方案設計

1.1 硬件構成

該實驗裝置采用西門子828D數控系統，機器人采用ABB IRC5 compact控制器，本體采用IRB120，總控采用S7-1200PLC，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 自動上下料工作站實驗裝置的總體框圖

1.2 控制方案

根據自動上下料控制要求，完成 SINUMERIK828D 數控系統、伺服驅動系統、輸入輸出模塊PP72/48、總控PLC、機器人控制器等模塊的安裝與調試[2]，并滿足以下控制要求：①數控系統與機器人配合完成物料的自動上料與下料[3]；②工作站具備緊急停止功能；③根據控制要求，系統可實現手動打開關閉安全門、夾緊松開夾具的功能；④可以實現上下料工作過程的在線監控功能。

2 軟件設計

為滿足機器人、數控機床、總控PLC三者之間信號交互的要求，需要對三者之間的I/O地址進行分配，并采用博圖軟件對總控PLC進行編程以及組態監控。

2.1 PLC I/O分配

由于本設計中增加的卡盤、機床防護門要求總控與數控機床控制面板都能直接控制其開合[4]，故數控系統內裝PLC與總控交互信號設定在PP72/48 I/O板的X222接口上。數控系統內裝PLC I/O分配如表1所示。機器人在上下料過程中需要與總控配合完成，總控在數控系統與機器人之間起橋梁作用，機器人通過IRC5 compact 機器人控制柜XS12、XS13、XS14、XS15接口與總控進行信號交互，總控PLC I/O分配如表2所示。

表1 數控系統內裝PLC I/O分配

表2 總控PLC I/O分配

2.2 上下料總體流程

總控發出遠程啟動信號給加工單元，數控系統控制主軸回到安全位置，數控系統暫停運行，發送暫停信號給總控；總控接收暫停信號以及機器人請求放料信號，總控發送安全門打開與夾具松開信號給數控加工單元，數控系統打開安全門、松開夾具，并將門已開與夾具已松信號發送給總控；總控接收到門已開信號與夾具已松信號，并將允放信號發送給機器人；機器人接收到允放信號后將工件放入機床，并回到安全點，發送放完成信號給總控；總控接到放完成信號后發送夾具夾緊與門關信號給數控系統，數控系統將夾具夾緊，安全門關閉，并將夾緊信號與門已關信號發給總控；總控發送CNC繼續運行信號給數控系統，數控系統繼續運行，加工完成后，發送加工完成信號給總控；總控接到加工完成信號，發送門開與夾具松開信號給數控系統，數控系統將夾具松開，安全門打開，并將夾具松開信號與門已開信號發給總控；總控接到夾具松開信號與門已開信號，發送允取信號給機器人，機器人將工件取出，回到安全點，并將取完成信號發送給總控；總控接到取完成信號，將關門信號與夾緊信號發送給數控系統。

3 工作站遠程監控界面組態設計

實驗軟件采用西門子公司開發的上位機組態軟件SIMATIC WinCC，與西門子SIMATIC S7-1200(CPU 1212C)建立通信連接，可實現對工作站自動上下料過程的在線監控，生動、直觀地展現機械手上下料動態過程，便于技術維修人員盡快定位故障點、排除故障；另外學生在觀察上下料內部過程及PLC的運行狀態后，可增強其對工作站的了解。

3.1 工程建立及通信配置

WinCC項目創建首先打開博圖軟件，在項目樹中點擊【項目】，【添加新設備】，選擇【PC系統】中的【WinCC Professional】，點擊添加；在【網絡視圖】下，給添加的模塊配置通信模塊——“常規IE”；在【網絡視圖】下，單擊上方的【連接】選項，通過拖拉將【WinCC模塊的IE接口】連接到【PLC的PROFINET接口】上即可完成通訊配置。在控制面板下，單擊右上方的搜索框，輸入PG，點擊設置【PG/PC接口】，在配置窗口中打開【下拉菜單】，選擇【S7ONLINE(STEP7)】選項，然后在下方窗口中選擇【電腦網卡型號的TCP/IP.AUTO.1】，點擊左下方確定完成配置。

3.2 添加畫面

在項目視圖【HMI_RT_1[WinCC Professional]】下，打開【畫面】選項，添加新畫面，選擇畫面右鍵【重命名】畫面名稱，同時設置畫面大小。選中要更改的畫面，右鍵選擇【動態化總覽】，在【周期】的選項中將時間周期改為250 ms。

3.3 建立組態連接

將上下料裝置監控畫面內的各種對象分別與PLC變量之間建立關系，當PLC變量值(上料與下料動作)改變時，在畫面上能夠直觀地看到圖形對象的動畫效果。

3.4 運行調試

右擊【HMI_RT_1[WinCC Professional]】，在跳出的菜單中選中【開始仿真】，點擊即可跳出仿真頁面。圖 2為上下料工作站的信號監控界面，可以監控安全門(打開、關閉)、夾具運動(夾緊、松開)、機械手快換(夾緊、松開)、數控系統(運行、暫停)等動作的執行。圖3為上下料工作站的流程監控頁面，可以對整個上下料過程進行實時監控。

圖2 上下料工作站的信號監控界面

圖3 上下料工作站流程監控界面

4 結束語

本方案設計的自動上下料工作站結構簡單，不但能夠滿足學生對上下料流程的S7-1200的編程實訓，學生還可以利用PLC programming tool 編程軟件編寫機床側數控PLC，完成對數控系統PLC的技術改造。實踐證明，該裝置實用性強，對今后的教學工作以及自動生產線的改造具有參考意義。