王啟春 繆嘉敏 徐嘯順 周偉明

(上海通用汽車(chē)有限公司，上海 201206)

在工業(yè)產(chǎn)品換代升級(jí)日益頻繁、生產(chǎn)線自動(dòng)化水平迅速提高的背景下，生產(chǎn)線設(shè)備升級(jí)改造的需求隨之而來(lái)。本文介紹的案例是一條汽車(chē)變速箱自動(dòng)化生產(chǎn)線由于產(chǎn)品工藝升級(jí)，需要增加一個(gè)加工工位，能自動(dòng)上下料。結(jié)合實(shí)際資源情況，決定改造一臺(tái)退役的德國(guó)GROB BZ400 型加工中心，配備一臺(tái)FACNUC ROBOT 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，構(gòu)成一個(gè)新的工位MT5 集成到原來(lái)的生產(chǎn)線中。

1 硬件部分

1.1 項(xiàng)目應(yīng)用系統(tǒng)

原生產(chǎn)線設(shè)備控制系統(tǒng)是SIEMENS 840D POWERLINE。新增的MT5 工位，其改造的加工中心使用的是FANUC 160M 系統(tǒng)，機(jī)器人選用FANUC 710iC-70，控制器是R-30iA。

1.2 通訊方案

增加MT5 工位前，LD1 上料工位與各加工工位PLC 通訊，LD1 上料工位通過(guò)Asi 總線連接整線滾道上的傳感器和執(zhí)行元件，如圖1 中虛線所示。增加MT5 工位后，在LD1 工位組態(tài)新硬件FIELD I/O 模塊和FANUC ROBOT，通訊如圖1 中實(shí)線所示:(1)MT5CNC 的I/O 通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入FIELD I/O 模塊，與LD1 通過(guò)PROFIBUS DP 總線通訊;(2)MT5 ROBOT與LD1 通過(guò)PROFIBUS DP 總線通訊;(3)MT5 滾道附件(傳感器和氣缸等執(zhí)行元件)通過(guò)Asi 總線接入LD1。MT5CNC 與MT5 ROBOT 通訊通過(guò)LD1 中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括:(1)MT5 CNC 與MT5 ROBOT的接口設(shè)計(jì);(2)MT5 CNC 的PMC 設(shè)計(jì);(3)MT5 CNC的HMI 設(shè)計(jì);(4)LD1 PLC 的設(shè)計(jì);(5)LD1 HMI修改。

2.1 MT5 CNC 與MT5 ROBOT 的接口設(shè)計(jì)

MT5 CNC 與MT5 ROBOT 的通訊是通過(guò)LD1 來(lái)中轉(zhuǎn)的，所以它們之間的接口由兩部分內(nèi)容構(gòu)成:LD1與MT5 CNC 的接口，LD1 與MT5 ROBOT 的接口，傳遞關(guān)系如圖2 所示。

2.1.1 MT5 CNC 與LD1 的接口設(shè)計(jì)

MT5 CNC 到LD1 的接口部分信號(hào)如表1，主要分為以下幾類:(1)機(jī)床狀態(tài):有無(wú)報(bào)警，緊停;(2)機(jī)床運(yùn)行方式選擇:手動(dòng)，自動(dòng)，空運(yùn)轉(zhuǎn);(3)上下料的狀態(tài):使能上下料狀態(tài)，上下料請(qǐng)求，機(jī)床門(mén)打開(kāi)，門(mén)光幕OK，工件夾具狀態(tài)，機(jī)床內(nèi)有無(wú)工件的記憶狀態(tài);(4)機(jī)器人的手動(dòng)操作，如回零、去維修位和機(jī)器人夾爪的手動(dòng)操作;(5)工件類型選擇等。

表1 MT5 CNC 到LD1 的接口信號(hào)

LD1 到MT5 CNC 的接口信號(hào)如表2 所示，主要分為以下幾類:(1)機(jī)器人和滾道狀態(tài):無(wú)報(bào)警，運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)備好;(2)運(yùn)行模式，自動(dòng)狀態(tài);(3)位置狀態(tài):機(jī)器人在HOME 位置，REPAIR 位置;(4)工作完成狀態(tài):上下料完成狀態(tài)，機(jī)器人夾爪狀態(tài);(5)工件狀態(tài):滾道上下料位置有無(wú)工件，滾道上下料托盤(pán)位置狀態(tài)，工件在機(jī)器人夾抓上等。

表2 LD1 到MT5 CNC 信號(hào)接口表

2.1.2 LD1 與MT5 ROBOT 的接口設(shè)計(jì)

LD1 到MT5 ROBOT 的接口信號(hào)主要分為以下幾類:(1)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào);(2)運(yùn)行模式:空運(yùn)轉(zhuǎn)、自動(dòng)等;(3)上下料條件:機(jī)床工件托盤(pán)上有無(wú)工件，滾道上下料位置有無(wú)工件，滾道上下料托盤(pán)位置狀態(tài)，CNC 上料門(mén)打開(kāi);(4)來(lái)自于CNC 的機(jī)器人手動(dòng)操作，打開(kāi)、關(guān)閉夾爪。ROBOT 標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)以外的接口信號(hào)如表3。

表3 LD1 到MT5 ROBOT 信號(hào)接口表

MT5 ROBOT 到LD1 的接口信號(hào)主要分為以下幾類:(1)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào);(2)機(jī)器人位置狀態(tài):機(jī)器人在HOME 位置，REPAIR 位置;(3)工作完成狀態(tài):上下料完成狀態(tài)，機(jī)器人夾爪狀態(tài);(4)機(jī)器人報(bào)警狀態(tài)等。ROBOT 標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)以外的其他信號(hào)如表4 所示。

表4 MT5 ROBOT 到LD1 信號(hào)接口表

2.2 MT5 CNC 的PMC 設(shè)計(jì)

夾具自動(dòng)循環(huán)的控制沿用了GROB PMC D 表的特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)和診斷處理比較清晰，詳細(xì)如下。

圖3 是機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行時(shí)夾具的順序動(dòng)作步驟，共11 步，依次是:

STEP0:NC 加工(夾具等待NC 切削完成);

STEP1:夾具放松;

STEP2:托盤(pán)上升;

STEP3:打開(kāi)上料門(mén);

STEP4:請(qǐng)求機(jī)器人下料;

STEP5:請(qǐng)求機(jī)器人上料;

STEP6:關(guān)閉上料門(mén);

STEP7:托盤(pán)下降;

STEP8:夾具夾緊;

STEP9:定位面氣檢(OK 跳到STEP0，NC 加工);

STEP10:夾爪放松(跳到STEP7)。

自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，夾具順序動(dòng)作如此循環(huán)和NC切削交替進(jìn)行，是借助圖4 的D 表來(lái)實(shí)現(xiàn)的:每一個(gè)步驟都包含“條件”列和“完成”列;在“控制地址”列中列舉出所有動(dòng)作相關(guān)的外部狀態(tài);將每一個(gè)動(dòng)作相關(guān)的外部狀態(tài)分別在“條件”和“完成”中標(biāo)“1”，將其16 進(jìn)制值寫(xiě)到頂部的D 地址中。在夾具控制子程序P80 中調(diào)用P2 子程序處理D 表數(shù)據(jù):每一步“條件”列滿足，執(zhí)行輸出，“完成”列滿足，步驟遞推，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)控制，每一步都有一個(gè)R 標(biāo)志位，便于診斷。

這樣，機(jī)器人的控制就集成到夾具順序動(dòng)作中，即保持了GROB PMC 的優(yōu)勢(shì)，也實(shí)現(xiàn)了ROBOT 從滾道給CNC 自動(dòng)上下料，改變了原始設(shè)備人工上下料的情況。

另外，設(shè)計(jì)夾具手動(dòng)控制，機(jī)器人手動(dòng)操作，和LD1 工位接口等子程序等。

2.3 MT5 CNC HMI 設(shè)計(jì)

MT5 CNC 的HMI 存儲(chǔ)在MMC IV 擴(kuò)展板卡中。通過(guò)修改配置文件，設(shè)計(jì)夾具手動(dòng)操作，機(jī)器人手動(dòng)操作等畫(huà)面。

夾具手動(dòng)操作畫(huà)面，如圖5 所示，包括上料門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉，工件托架上升/下降，夾具夾緊/放松，定位面氣檢通過(guò)與否，斷銷(xiāo)檢測(cè)，工件在位等項(xiàng)目。

機(jī)器人操作畫(huà)面如圖6，包括:機(jī)器人夾爪夾緊/放松手動(dòng)操作;機(jī)器人回零或者機(jī)器人去維修位置的手動(dòng)操作;機(jī)器人在HOME 位置或在維修位置的現(xiàn)實(shí);機(jī)床空運(yùn)行時(shí)帶或者不帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)選項(xiàng);機(jī)床內(nèi)有沒(méi)有工件的記憶狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，用來(lái)判斷機(jī)器人上料/下料完成情況。

2.4 LD1 主要PLC 設(shè)計(jì)

上料工位LD1 工位是SIEMENS 840D POWERLINE 系統(tǒng)，在PLC 中增加幾個(gè)子程序，分別完成以下幾個(gè)功能:與MT5 CNC 的接口子程序處理收、發(fā)表1和表2 中的接口信號(hào);與MT5 ROBOT 的接口子程序，處理收、發(fā)表3 和表4 中的接口信號(hào)，完成機(jī)器人啟?？刂?，軌跡程序選擇等功能，設(shè)計(jì)1 號(hào)程序?yàn)橄铝铣绦颍? 號(hào)程序?yàn)樯狭铣绦?控制MT5 工位的滾道附件，如托架、擋料器的工作;控制MOBY 讀入來(lái)料工件信息，然后寫(xiě)入MT5 工位完成后的工件信息，如工位號(hào)，工件狀態(tài)等。

2.5 LD1 主要HMI 設(shè)計(jì)

增加MT5 工位滾道部分的附件包括擋料器、托架的手動(dòng)操作，在HMI PRO CS V7.3 中設(shè)計(jì)手動(dòng)操作畫(huà)面，如圖7。

3 FANUC ROBOT 設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 硬件相關(guān)

MT5 ROBOT 與LD1 是PROFIBUS DP 總線 通訊，機(jī)器人側(cè)啟用PROFIBUS 通訊方式和設(shè)定DP 地址。

ROBOT I/O 使用MODEL A，接入機(jī)器人夾爪，機(jī)器人圍欄安全門(mén)等信號(hào)，MT5 ROBOT 與LD1 接口信號(hào)如表3 和表4 所示，在ROBOT 側(cè)分別指定對(duì)應(yīng)地址并命名。

3.2 軟件部分

ROBOT 自動(dòng)運(yùn)行通過(guò)程序號(hào)碼選擇信號(hào)(PNS1—PNS8 和PNSTROBE)來(lái)選擇程序。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際編輯上下料軌跡程序，下料程序號(hào)1，上料程序號(hào)2，去維修位置程序號(hào)3，與LD1 中的程序號(hào)選擇對(duì)應(yīng)起來(lái)。

啟用DCS 中笛卡爾位置監(jiān)控功能，劃定安全工作區(qū)域，保證人員和設(shè)備安全。

設(shè)計(jì)子程序響應(yīng)CNC 機(jī)器人操作畫(huà)面的手動(dòng)操作，如夾爪動(dòng)作和機(jī)器人回零等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹一個(gè)改造案例達(dá)到以下幾點(diǎn)目的:(1)介紹FANUC CNC 集成ROBOT 的主要接口信號(hào);(2)介紹了給GROB 的FANUC BZ 系列CNC 中集成ROBOT 的一個(gè)方法;(3)說(shuō)明設(shè)備改造的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，如將退役的設(shè)備改造到自動(dòng)化水平高，系統(tǒng)集成復(fù)雜度高的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)比新設(shè)備采購(gòu)成本低，周期短;(4)給行業(yè)內(nèi)類似應(yīng)用提供一個(gè)參考案例。

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