螺母熱壓機(jī)器人工作站控制系統(tǒng)研究

李坤汶， 劉 鵬

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 四川 成都 610000； 2.重慶會(huì)凌電子新技術(shù)有限公司， 重慶 400060）

引言

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化裝備，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全具有重要的戰(zhàn)略意義，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)，在汽車、電子、石化、自動(dòng)化等工業(yè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用[1]。PLC 作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域最常用的控制器，通常用來與工業(yè)機(jī)器人配合共同完成特定的生產(chǎn)控制任務(wù)。PLC 與工業(yè)機(jī)器人是智能制造自動(dòng)生產(chǎn)線中主要的控制設(shè)備和自動(dòng)化裝備，結(jié)合智能視覺檢測(cè)系統(tǒng)、人機(jī)界面交互系統(tǒng)、工具快換系統(tǒng)可快速地實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，為智能制造、個(gè)性化生產(chǎn)打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

1 熱壓工藝及系統(tǒng)功能研究

1.1 熱壓工藝簡(jiǎn)介

嵌件螺母是一種帶有內(nèi)螺紋且外部有滾花或者其他花紋的嵌件埋置在塑膠或者其他合金產(chǎn)品內(nèi)，使主體產(chǎn)品上形成有效螺紋的產(chǎn)品。金屬螺母鑲嵌有四種方式：熱插入、超聲波鑲嵌、螺母注塑和冷壓插入。熱壓工藝適用熱塑性塑料整體性能高，工藝成本低，熱壓鑲嵌工藝，需要事先在塑料件上預(yù)成形一個(gè)孔。比螺母外徑略小。螺母前端直徑略小于孔徑，有助于插入件定位安放。在熱壓過程中，螺母被熱模加熱到一定的溫度。在螺母插入塑料件中時(shí)，螺母會(huì)熔化孔周圍的一小部分塑料。軟化的樹脂流入滾花齒中，然后凝固變硬與螺母形成牢固的結(jié)合。由于該工藝易于控制，成本相對(duì)較低，且易于自動(dòng)化，所以熱壓工藝是熱塑性塑料常用的螺母鑲嵌工藝。

1.2 螺母熱壓機(jī)器人工作站功能需求

1.2.1 熱壓對(duì)象分析

工作站作業(yè)對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣歧管熱壓螺母具有較高功能和工藝要求，使用機(jī)器人對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管螺母熱壓工藝加工主要存在以下難點(diǎn)：進(jìn)氣歧管其外形與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積多變，產(chǎn)品多樣，需要在工作站熱壓多種產(chǎn)品，要滿足柔性化需求；產(chǎn)品需求量較大，要提高機(jī)器人熱壓工作站生產(chǎn)效率，降低單個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間；多種產(chǎn)品，產(chǎn)品多個(gè)孔，每種產(chǎn)品螺母類型，數(shù)量及分布不均勻，要求對(duì)每種產(chǎn)品的每個(gè)螺母都具有獨(dú)立參數(shù)控制，螺母的參數(shù)包括加熱時(shí)間，保壓時(shí)間，產(chǎn)品高度判定三種參數(shù)，需要進(jìn)行參數(shù)化控制；工廠空間有限，需要使工作站盡量縮小空間。熱壓螺母是進(jìn)氣歧管生產(chǎn)線的首要環(huán)節(jié)，此站螺母熱壓質(zhì)量決定整個(gè)生產(chǎn)線運(yùn)行效率。

1.2.2 功能需求分析

根據(jù)作業(yè)對(duì)象分析，所設(shè)計(jì)的熱壓機(jī)器人工作站必須能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能：滿足柔性化需求，能夠加工多種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；產(chǎn)品需求量大，產(chǎn)能功能緊張，要降低循環(huán)時(shí)間；螺母的參數(shù)化設(shè)置以及質(zhì)量判定；節(jié)約工作站空間。因此，從多種因素綜合考慮，本螺母熱壓機(jī)器人工作站采用旋轉(zhuǎn)式雙工位，雙機(jī)器人協(xié)同作業(yè)模式工作站。

2 工作站總體布局

根據(jù)需求分析，機(jī)器人工作站的總體布局由下頁圖1 所示，整個(gè)系統(tǒng)右如下部分組成：

圖1 工作站布局

①②R-30iB Mate 控制器。工作站機(jī)器人控制器，機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置。

③冷水機(jī)。通過吸收式循環(huán)達(dá)到制冷效果的機(jī)器。這些液體能夠流過熱交換器到達(dá)對(duì)空氣或設(shè)備降溫的目的，為高頻加熱控制器降溫。

④⑤LR Mate 200iD 發(fā)那科機(jī)器人。LR Mate 200id 是一款大小和人的手臂相近的迷你機(jī)器人，可以被安裝在狹小的空間進(jìn)行使用[2]。

⑥⑦振動(dòng)盤上料機(jī)。自動(dòng)送料振動(dòng)盤主要由料斗、底盤、控制器、直線送料器等配套組成。通過振動(dòng)將無序工件自動(dòng)有序定向整齊排列，準(zhǔn)確輸送到下道工序。

⑧⑨工裝胎具。胎具是加工時(shí)用來緊固工件，使產(chǎn)品保持相對(duì)位置的工藝裝置，確保位置準(zhǔn)確。本工作站因柔性化需求，多種產(chǎn)品，因此需要多種胎具。

⑩間歇分割器。間歇分割器就是一種可以使連續(xù)的動(dòng)作變成幾部分完成，實(shí)現(xiàn)間歇性運(yùn)動(dòng)，通常輸入軸轉(zhuǎn)一周，輸出軸完成一個(gè)工位。本工作站為雙工位。

3 工作站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制對(duì)象的系統(tǒng)分析，然后根據(jù)實(shí)際需要確定控制系統(tǒng)類型和系統(tǒng)工作時(shí)的運(yùn)行方式，即總體方案的實(shí)際內(nèi)容，應(yīng)包括控制對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能。詳細(xì)分析被控對(duì)象工藝流程及其工作特性[3]，選擇適合的硬件，系統(tǒng)以西門子1500PLC作為系統(tǒng)集成控制器，將全部自動(dòng)化組態(tài)完美集成在“TIA 博途”中，新一代SIMATIC S7-1500 控制器作為中高端的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)，在提高工程效率達(dá)到新的高度[4]，以SIMATIC S7-1500 配置其他電氣硬件，構(gòu)成集成控制系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。通過Profinet 總線連接機(jī)器人，位移傳感器，觸摸屏，分布式IO。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

4 工作站控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

工作站控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC 軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。

4.1 工作站系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在對(duì)螺母熱壓機(jī)器人工作站系統(tǒng)進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先，要明確工作站工藝生產(chǎn)作業(yè)流程，在此基礎(chǔ)上繪制對(duì)應(yīng)的工藝流程圖；其次，從安全角度出發(fā)，考慮各工位彼此之間可能存在的影響或干涉，適當(dāng)增加自鎖與互鎖設(shè)計(jì)，提高工作站的整體安全性能[2]。機(jī)器人工作站的工作流程圖如圖3 所示。

圖3 工作流程

4.2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

程序有線性化和結(jié)構(gòu)化兩種程序結(jié)構(gòu)。線性化編程把所有指令都寫在主程序中，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)化控制任務(wù)，這種編程方式不利于程序修改和調(diào)試，適用于簡(jiǎn)單控制任務(wù)[4]。結(jié)構(gòu)化編程則是將復(fù)雜自動(dòng)化任務(wù)分割成與工藝功能相對(duì)應(yīng)的或者可重復(fù)適用的子任務(wù)，利于對(duì)復(fù)雜程序進(jìn)行處理和管理，子任務(wù)在程序中以塊表示（FC 或者FB）。本機(jī)器人工作站為中大型程序，采用結(jié)構(gòu)化編程模式。OB1 組織塊依次調(diào)用FC函數(shù)，F(xiàn)B函數(shù)塊，程序結(jié)構(gòu)如下頁圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)

FC.auto：用于判定系統(tǒng)自動(dòng)化條件，工位自動(dòng)化條件，啟動(dòng)產(chǎn)品，作業(yè)計(jì)時(shí)。

FC.rotate：用于控制變頻器驅(qū)動(dòng)間歇分割器。

FC.robotL：左機(jī)器人子程序塊，控制左機(jī)器人。

FC.robotR：左機(jī)器人子程序塊，控制右機(jī)器人。

FC.sendL：控制左振動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，左加熱裝置。

FC.sendR：控制右振動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，右加熱裝置。

FB.robotLstop：用于左機(jī)器人作業(yè)參數(shù)傳遞與控制。

FB.robotLstop：用于右機(jī)器人作業(yè)參數(shù)傳遞與控制。

FC.product：產(chǎn)品計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)合格與不合格產(chǎn)品。

4.3 觸摸屏設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是操作人員與PLC 之間進(jìn)行對(duì)話和相互作用的接口設(shè)備，用來顯示PLC 集成控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息[5]。根據(jù)機(jī)器人工作站控制和操作要求，設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號(hào)監(jiān)控界面、參數(shù)顯示界面、登錄界面等。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了基于西門子S7-1500 PLC 在螺母熱壓工藝機(jī)器人自動(dòng)化集成系統(tǒng)工作站的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品精確參數(shù)控制，同時(shí)，該工作站基于緊湊化設(shè)計(jì)，采用機(jī)器人倒裝安裝方式，節(jié)約了空間。經(jīng)工廠實(shí)際生產(chǎn)表明：該工作站運(yùn)行優(yōu)良，完全符合企業(yè)生產(chǎn)要求。