桁架式全自動生產線的智能化設計

王龍昌，王立偉，丁希波

（濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256602）

0 引言

目前市場上有多種實現自動上下料的方式，例如工業機器人、“一個流”式生產線、桁架機械手等。其中，工業機器人因手臂的跨度范圍小，只能服務有限的幾臺機加工設備，若要服務更多的設備，則需要增加地軌或者桁架來輔助機器人移動，從而導致成本的上升；“一個流”式生產線上的各工序只能有一個工件在流轉，但生產線上各工序之間的加工節拍差距太大，使用“一個流”式生產線無法實現加工節拍的最優化；桁架機械手的跨度范圍大，能夠輕松的服務多臺設備，能夠方便的修改服務順序，是目前最適合活塞生產線的自動化方案。將從機械結構、電氣控制方案、安全機制3 方面來講述本次設計。

1 機械結構

本次設計的桁架線的結構如圖1 所示：桁架式機械手由水平軸X 軸和豎直軸Z 軸2 個軸組成。桁架線的控制技術指標：X 軸最大運行速度為150 m/min，最大加速度2.5 m/s2，機械手重復定位精度±0.1 mm。Z 軸最大運行速度為110 m/min，最大加速度2 m/s2，機械手重復定位精度±0.1 mm。Z 軸負載75 kg，含豎梁、氣爪、連接板、電機、減速機及兩個工件的重量。

圖1 桁架線結構示意

桁架機械手設有5 個氣缸來實現換料動作，分別是裝載爪氣缸、卸載爪氣缸、旋轉氣缸、插銷機構伸縮氣缸和插銷機構夾松氣缸。氣缸動作時，必然需要位置檢測，本次桁架機械手是通過磁性開關來實現位置檢測。每個工序間設有一個翻轉臺，當前、后兩道工序的設備裝夾姿態不同時，用以變換工件姿態。

2 電氣控制方案

控制方案規劃階段，為了實現整條桁架線的智能化控制，需要選擇一個開放性比較強且能夠實現源代碼編程的控制系統。經過反復對比，最終選定了貝加萊數控系統。貝加萊數控系統提供一個基于源代碼的開放性平臺，通過PLC 和NC 相結合的方式，可以輕松實現上述功能。貝加萊控制系統擁有高度的可擴展性，可以使用一個平臺覆蓋所有的需求，從最小的控制器一直到CNC、機器人技術和過程控制應用。此外，該平臺還可以進行編程和配置，無論使用何種硬件，都可以通過Automation Studio 實現。這種兼容性不僅降低了開發成本，而且還確保了機器在整個生命周期中的投資安全性。

由于機加工設備種類多種多樣，加工節拍長短不一，經常出現機械手在加工節拍長的設備上方長時間等待的情況。為了避免這樣的情況發生，在機加工設備的數量上做了優化：加工節拍長的機加工設備配置兩臺甚至更多，加工節拍短的機加工設備只配置一臺。這時出現多臺機加工設備加工同一個工序的情況，把這種情況叫做“并序”；當所有的機加工設備的加工節拍都比較長時，一個機械手完全有能力服務兩個甚至更多的工序，把這種情況叫做“順序”。每一個機械手所服務的設備都有可能出現“并序”或者“順序”或者兩者都有的情況，為了統一標準，在設計機械手的程序時，規定每個機械手最多可服務3 個“順序”工序，分別標識為A 序、B 序和C 序；每個“順序”的工序最多包含4 臺“并序”的設備，分別標識為1、2、3、4；所以每個機械手最多可服務12 臺設備，即A1-A4、B1-B4、C1-C4。這樣做帶來的新的問題是，這12 臺設備不是全部配置的，需要在人機界面上做選擇框，來選擇這12 臺設備需要啟用哪幾臺，啟用的這幾臺設備之間是“并序”關系還是“順序”關系。“并序”關系的機床換料過程完全一致，只是換料時的機械手的坐標不同，因而只需要做一套NC 程序，將需要換料的機床的換料坐標由PLC 傳遞給NC 即可。這些復雜的邏輯難以通過普通的CNC 實現，但是可以通過貝加萊的源代碼編程輕松解決。

為了節約控制成本，本次設計采用雙通道控制，兩個機械手共用一個CPU。同時，整條桁架線所有的CPU 均通過Ethernet連接，從而實現了整條桁架線的數據采集，并可以連接ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）系統和MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）系統，響應“中國制造2025”。

根據控制方案，CPU 需要與每臺機床進行信號交互、控制機械手爪的動作、與前后料道進行信號交互，這些控制點都比較分散，直接采用信號線進行交互的話，不僅控制成本增加，而且故障率高、不易維修。經研究，決定采用貝加萊遠程I/O 模塊，具體配置如下：

（1）每臺機加工設備里放置1 個遠程I/O 通信模塊，并配置8 點的DI 輸入模塊和8 點的DO 輸出模塊各1 塊，用以CPU 與機床的信號交互。

（2）每個料道放置1 個遠程I/O 通信模塊，同樣配置8 點的DI 輸入模塊和8 點的DO 輸出模塊各1 塊。

（3）每個機械手爪配置1 個遠程I/O 通信模塊，并配置3 塊8 點的DI 輸入模塊和2 塊8 點的DO 模塊，用以控制機械手爪的動作。

每個遠程IO 通信模塊都有特定的站地址，對應不同的硬件地址。在調試初期，做好站地址的劃分：兩個機械手的遠程I/O通信模塊的站地址是3 和4，上下料料道的遠程I/O 通信模塊站地址是5 和6，第一個機械手所對應的12 臺機床的站地址是7～18，第二個機械手所對應的的12 臺機床的站地址是19～30。當機床的加工順序改變時，只需改變遠程/IO 通信模塊的站地址及人機界面的工序選擇即可。例如，第一個機械手服務兩臺并序的設備，分別是A1 和A2，對應的站地址分別是7 和8，由于工藝的變更，這2 臺設備需要順序執行，即改變為A1 和B1，對應的站地址分別是7 和11，就把第二臺機床的遠程通信模塊的站地址由8 改為11，再把人機界面上的A2 去掉，勾選B1 即可。

3 安全機制

3.1 安全區域

桁架機械手因結構的原因，必須設置X 軸和Z 軸的安全區域，用以保證桁架機械手不會與機床、料道間產生碰撞。每臺設備頂部都設有天窗，機械手僅能通過天窗進入機床內部進行換料，極易與天窗產生碰撞，同時因空間有限，機械手也容易與上、下料料道發生碰撞。為此，在設計機械手PLC 程序的時候，增加了“安全區域”的功能，具體做法如下：

在機械手的人機界面上，根據機床和上、下料料道的數量，設置相應個數的“X 軸安全區間”，每個“X 軸安全區間”由“起始點”和“結束點”組成。操作者移動機械手，記錄機械手處于機床的天窗區域或者上下料料道的托盤區域時的X 軸坐標值，并將這些坐標值填入對應的“起始點”和“結束點”輸入框內。同時，在機械手的人機界面上設置一個“Z 軸安全位置”，對應機械手處于機床上方時的Z 軸坐標。

機械手的“X 軸安全區間”和“Z 軸安全位置”設定完成后，由以下3 種情況來防碰撞：

（1）機械手的Z 軸在“Z 軸安全位置”以上時，X 軸可以任意移動。

（2）機械手Z 軸向下移動至“Z 軸安全位置”時，若X 軸處于任意一個“X 軸安全區間”內，則Z 軸可以繼續向下移動，若X軸不處于任何“X 軸安全區間”，機械手報警并停止軸的運動，且Z 軸只能手動向上運動，直至報警消除。

（3）機械手Z 軸處于“Z 軸安全位置”以下，且X 軸處于任意一個“X 軸安全區間”內時，X 軸可以移動，但要實時監測X 軸是否超出“X 軸安全區間”，若超出，則報警并停止軸的運動，且X軸只能手動向觸發報警時的反方向運動，Z 軸只能手動向上運動，直至報警消除。

3.2 關鍵點檢測

桁架機械手采用的是半閉環控制，編碼器安裝在電機的端部，電機靠聯軸器帶動機械手進行水平和豎直運動。當聯軸器損壞或者發生其傳動鏈上的故障時，電機正常轉動，但是機械手沒有動作，就會產生撞車的危險。例如，X 軸的聯軸器在運動過程中發生故障，致使機械手停止在機床防護罩上方，若此時機械手繼續執行Z 軸向下進入機床內的動作，就會與機床防護罩發生碰撞，極其危險。

為防止此類問題的發生，采取了關鍵點檢測的方法。目前統計的X 軸關鍵點包括：取料位置、機床的換料位置、翻轉臺位置、卸料位置、抽檢位置，Z 軸關鍵點只有一個，即Z 軸的安全位置。在這些關鍵位置上安裝檢測撞塊，同時在X 軸和Z 軸上各安裝一個檢測開關。每當機械手運動到這些關鍵點時，都要判斷檢測開關的信號是否為“1”，若是“1”，機械手繼續執行下一步動作，若不是“1”，則證明機械手未能準確的運動至設定位置，需要機械手報警并停止NC 運行。

4 結束語

本次設計的桁架式生產線智能化高、操作簡單，處于國內領先水平。經過兩年的實際運行和不斷優化，該控制方案趨于完善。現公司已大批量投制該類生產線，并積極開拓外部市場，相信在不久的將來會得到更廣泛的應用。