基于在線檢測的高鐵棘輪柔性生產線控制系統(tǒng)設計

莊源昌

(常州數(shù)控技術研究所，江蘇常州 213164)

0 前言

棘輪補償裝置是高速列車牽引供電接觸網系統(tǒng)中關鍵裝置，會影響到整體接觸網電力輸送的安全性，一般由棘輪本體、棘輪軸、棘輪支架、補償繩、平衡輪、墜砣等組成[1]。

棘輪本體是棘輪下錨裝置的核心關鍵部件，采用鋁合金低壓鑄造工藝，工藝中主要有中間與軸承配合的軸孔的加工，軸孔由于形位公差要求嚴格，加工精度要求高，需要人工全檢，是棘輪本體加工的難點[2]。

傳統(tǒng)的加工工藝是采用數(shù)控車床2次裝夾定位，但是其重復裝夾定位累計誤差較大，往往造成裝配孔同軸度超差，很難滿足要求[2]。目前國內大多采用立式加工中心，采用一次裝夾定位完成軸孔和端面等工藝的加工，再結合人工全檢測量的方式控制成品率，具有較好效果，但是生產效率、自動化程度和可追溯性不夠[3]。國外的自動化生產線已大量采用機器人和傳感器技術，利用計算機和信息技術，實現(xiàn)生產線的在線監(jiān)控和無人化加工[4-5]。

隨著機床柔性生產和在線測量技術的發(fā)展，利用工業(yè)機器人實現(xiàn)棘輪的自動上下料成為可能[6-7]。本文作者設計專用的上料夾手與2臺立式加工中心配合，實現(xiàn)2臺立式加工中心的柔性生產，結合數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和在線測量系統(tǒng)應用，實現(xiàn)一條生產過程無人化的棘輪柔性生產線，以有效地提高棘輪生產的自動化水平和成品率，提高高鐵接觸網相關核心零部件的生產信息化水平。

1 總體方案設計

1.1 生產線布局設計

自動線布局如圖1所示，由上料區(qū)、上料輸送帶、下料輸送帶、工業(yè)機器人、2臺加工中心、下料區(qū)等功能區(qū)組成，工業(yè)機器人在上料輸送帶上夾取棘輪胚料，交互給2臺加工中心自動上料，待加工完成后，通過下料緩沖輸送帶傳送到下料區(qū)。

圖1 生產線布局

1.2 控制系統(tǒng)硬件方案構建

生產線控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主控制臺由觸摸屏、工控機和網關組成，工控機通過TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場邏輯控制器和2臺加工中心網絡通信，現(xiàn)場邏輯控制器通過Ethernet IP協(xié)議與ABB機器人控制器通信。

圖2 自動線控制系統(tǒng)硬件結構

1.3 工控系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

自動線的加工中心使用FANUC 0i-MD系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口函數(shù)庫是FOCAS(FANUC Open CNC API Specifications)函數(shù)。該函數(shù)庫主要提供軸信息、加工文件操作、宏變量數(shù)據(jù)、刀具壽命管理、歷史數(shù)據(jù)記錄、PMC數(shù)據(jù)通信和其他信息讀寫等接口函數(shù)[8]。

控制系統(tǒng)通過C#語言編寫上位控制軟件采集數(shù)據(jù)和決策，調用FOCAS庫提供的Fwlib32.dll和Fwlibel.dll動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)接口函數(shù)的調用，工控機和FANUC數(shù)控系統(tǒng)之間通過網絡TCP/IP協(xié)議通信，實現(xiàn)控制軟件對數(shù)控系統(tǒng)內部宏變量區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫，完成尺寸數(shù)據(jù)的讀取、計算和存儲。

圖3 棘輪加工線數(shù)據(jù)采集結構

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 機器人末端與機床夾具設計

根據(jù)棘輪的外形尺寸和加工要求，設計定制化的機器人夾手和數(shù)控機床的自動化翻轉工裝夾具，分別如圖4和圖5所示。

圖4 機器人末端夾手

圖5 數(shù)控機床的自動化翻轉工裝

機器人夾手通過夾持棘輪外圓胚料進行拾取操作，由2只夾緊氣缸、同步齒輪、仿形夾手和平面導軌等組成，數(shù)控機床的自動化夾具由液壓翻轉機構、4只旋轉壓緊氣缸和吹屑裝置等組成，機器人夾手通過同步齒輪的約束，對中拾取棘輪胚料，自動向數(shù)控機床上料，通過與自動化夾具交互，實現(xiàn)機床的上料加工。

2.2 棘輪在線檢測系統(tǒng)設計

2.2.1 棘輪在線檢測系統(tǒng)硬件組成

棘輪自動線的檢測系統(tǒng)如圖6所示，由Renishaw在線接觸式測頭和對刀儀構成，在線接觸式測頭由OMP60和OMI-2接收器組成，負責胚料的自動找正和內徑直徑測量[9]。

圖6 棘輪加工在線檢測裝置

接觸式對刀儀裝置，由高精度開關、高硬度高耐磨性合金探頭和信號傳輸連接器等組成，通過數(shù)控機床刀具的碰觸觸發(fā)開關，使數(shù)控系統(tǒng)感知刀具在機床坐標下的方向和位置，通過與數(shù)控系統(tǒng)刀具預設的數(shù)值比較計算，獲取刀具的磨損與折損量、熱位移補償量等，數(shù)控系統(tǒng)通過補償提高加工精度與生產合格率[10]。

Renishaw測頭用于FANUC數(shù)控系統(tǒng)上，此需求主要有以下程序模塊：

O9810 保護定位程序

O9814 內孔/外圓測量程序(用于測量內孔或外圓。它使用了沿X、Y軸的4次測量移動。)

O9832 旋轉開啟宏程序

O9833 旋轉關閉宏程序

在測頭及測頭偏置有效的情況下，把測頭定位到型面的中心線上，并位于合適的Z軸位置上。

指令格式：

G65 P9814 Dd Zz [Ee Ff Hh Mm Qq Rr Ss Tt Uu Vv Ww]

其中：Dd中的d為型面的名義尺寸。Zz中的z為測量外圓時的Z軸絕對位置。如果省略這個參數(shù)，就會假定為一個內孔循環(huán)。

以下是測頭測量棘輪凹孔的上內孔的加工代碼：

T12(換刀測頭)

M06

G54X0Y0(起始位置)

G43H12Z100(激活12號刀偏，定位到上100 mm)

G65P9832(開啟測頭)

G65P9810Z-10.F500(移動到定位平面下-10 mm)

G65P9814D53(測量一個直徑53 mm的內孔)

G65P9810Z100(移動到定位平面上100 mm)

G65P9833(關閉測頭)

#100 = #135(X坐標保存到宏變量#100)

#101 = #136(Y坐標保存到宏變量#101)

以下是測頭測量棘輪凹孔的下內孔的加工代碼：

G54X0Y0(起始位置)

G43H12Z100

G65P9832(開啟測頭)

G65P9810Z-25.F500(移動到定位平面下-10 mm)

G65P9814D44(測量一個直徑44 mm的內孔)

G65P9810Z100(移動到定位平面上100 mm)

G65P9833 (關閉測頭)

#102 = #135(X坐標保存到宏變量#102)

#103 = #136(Y坐標保存到宏變量#103)

2.2.2 FOCAS接口數(shù)據(jù)采集

數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行自動加工程序結束后，通過Renishaw在線接觸式測頭觸碰棘輪的關鍵中心孔4個位置，獲得測量數(shù)據(jù)后保存在數(shù)控系統(tǒng)的宏變量區(qū)。棘輪加工線數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 棘輪加工線數(shù)據(jù)采集流程

控制系統(tǒng)通過調用FOCAS庫函數(shù)cnc_rdmacror函數(shù)，實現(xiàn)批量的宏變量數(shù)據(jù)讀取。cnc_rdmacror函數(shù)體為cnc_rdmacror(Flibhndl，s_number，e_number，length，macror)；

函數(shù)返回是Focas1.IODBMR數(shù)據(jù)結構體，結構體中可包含5個宏變量數(shù)據(jù)。結構體中mcr_val是返回的宏變量中省去小數(shù)點的整數(shù)值，dec_val是返回的宏變量小數(shù)點所在的位置值，提取后根據(jù)2個區(qū)域的值重組計算，獲得宏變量的實際浮點型數(shù)值。

2.3 控制PLC與機器人系統(tǒng)的總線控制

2.3.1 機器人系統(tǒng)的總線配置

自動線采用ABB工業(yè)機器人，邏輯控制單元通過Ethernet IP總線與機器人通信，機器人系統(tǒng)需要購有841-1 EtherNet/IP Scanner/Adapter服務選項，ABB機器人作為主站通信，選擇LAN3作為網絡通信口，需要將現(xiàn)場邏輯控制器的設備EDS文件拷貝到機器人系統(tǒng)Home文件夾下的EDS文件夾里，然后添加網絡，設置網絡的IP地址、輸入輸出的字節(jié)數(shù)等，建立Signal通道。Ethernet IP總線數(shù)據(jù)配置見圖8。

圖8 Ethernet IP總線數(shù)據(jù)配置

通過Robotstudio軟件，配置對應的變量，系統(tǒng)配置了機器人命令(i_robotcmd)、機器人編號(i_robotcn)、機器人啟動(i_robotstart)等Group Input類輸入變量，設置機器人報警狀態(tài)(o_robotalmstus)、機器人收到命令反饋(o_robotcmdrv)、機器人運行狀態(tài)(o_robotrunstus)等Group Output類輸出變量，用于現(xiàn)場邏輯控制器與ABB機器人的協(xié)議交互。

2.3.2 機器人系統(tǒng)的程序命令調度

現(xiàn)場邏輯控制器通過總線調度機器人執(zhí)行預定的子程序，子程序的執(zhí)行需要控制PLC和機器人之間互認來確認執(zhí)行和安全性，命令調度流程如圖9所示，將機器人的示教流程分成多個子程序，通過i_robotcmd命令號來調度，可以有效地提高機器人的控制柔性，便于工藝流程的組合應用。

圖9 機器人系統(tǒng)的命令調度流程

3 生產線工藝流程設計與調試

自動線控制軟件(如圖10所示)負責整條生產線的機床、機器人和輸送線的控制邏輯，包含機床的狀態(tài)監(jiān)控、機床數(shù)據(jù)的讀寫、程序文件管理、機器人程序管理、輸入輸出信號調試、報警信息記錄等。當產線中一臺機床出現(xiàn)故障時，用戶可以通過人工屏蔽的方式控制自動線停止調用其中一臺機床，以保證生產時間內整條產線處于不停機的狀態(tài)。高鐵棘輪柔性生產線如圖11所示。

4 結束語

文中設計的棘輪自動生產線，經過3年的實際使用，在幾個方面收到了良好效果：

(1)整體生產效率得到顯著提升。在自動線加工中心孔工藝環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計，人工加工時需要人工機床上下料、人工翻面、人工全檢，平均生產時間大約10 min/個；通過自動線整體優(yōu)化布局和機器人總線調度控制，自動線生產時間減少了1倍以上。

(2)成品率得到提升。人工加工時不可避免地出現(xiàn)漏檢、錯檢等錯誤，基于Renishaw和FOCAS軟件庫的棘輪在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)棘輪關鍵尺寸的全檢，數(shù)據(jù)可靠，一致性高。

(3)自動化和信息化水平顯著提高。通過棘輪生產線控制軟件的調度，自動線的實施只需要人工往輸送線上搬運胚料，下料輸送線人工下料碼垛，中間生產過程全部實現(xiàn)自動化，大大減少了生產難度。生產過程中的刀具磨損信息、全檢尺寸數(shù)據(jù)、產量統(tǒng)計，加工程序的管理等軟件控制方法，極大提高了棘輪生產的信息化水平。