武因培,張 然,倪順利

（飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司,安徽馬鞍山 243000）

1 項目簡介

為適應(yīng)智能制造時代背景，改進目前落后的成品車輪運輸方式，完善高速車輪的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，馬鋼車輪公司投資建設(shè)了兩條全自動車輪檢測線。致力打造具有國際一流水平的車輪生產(chǎn)基地。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)配置方案

每個機械手配備一套SINUMERIK 840D SL 系統(tǒng)，軸驅(qū)動采用SINAMICS S120，整個桁架邏輯控制采用SIMATIC S7-400 控制，將數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動控制器、自動化系統(tǒng)集成到一體，構(gòu)成一套完整的桁架機械手控制系統(tǒng)解決方案，具體硬件配置和網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1。

2.2 單套機械手系統(tǒng)配置

2.2.1 SIMATIC S7-400

SIMATIC S7-400 是 SIMATIC 控制器家族中功能最為強大的PLC。它可以成功實現(xiàn)全集成自動化(TIA) 解決方案。在桁架機械手控制系統(tǒng)中，SIMATIC S7-400擔(dān)任著中央處理器的作用，具體功能如下：

(1)車輪搬運任務(wù)的下發(fā)。

(2)與檢測設(shè)備的信號交互。

(3)檢測工位的坐標計算。

(4)跟蹤信息的處理和上報。

(5)與每個機械手的840D 數(shù)控系統(tǒng)的啟?？刂坪蛿?shù)據(jù)通訊（包括軸坐標、傳感器信號、機械手狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息）。

(6)上料位的解垛和下料位的堆垛控制。

2.2.2 SINUMERIK NCU 720.3B PN

SINUMERIK NCU 720.3B PN 代表了 SINUMERIK 840D SL 系列的中等配置等級。SINUMERIK 840D SL 將CNC、PLC、HMI、驅(qū)動控制和通訊任務(wù)都集中在了一個 NCU(Numerical Control Unit) 上。在桁架機械手系統(tǒng)中，SINUMERIK NCU擔(dān)任任務(wù)的執(zhí)行方。機械手的路徑控制程序存儲在NCU 中，機械手接收到上級PLC 下發(fā)的車輪取放任務(wù)后，機械手根據(jù)NCU 中的路徑程序和接收的工位坐標信息執(zhí)行動作。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.2.3 SINAMICS S120

三個單軸驅(qū)動模塊分別控制機械手的水平運動、上下運動、夾緊放松運動，一個雙軸驅(qū)動模塊同步控制機械手的翻轉(zhuǎn)運動。軸的驅(qū)動均采用SINAMICS S120+1FT7 伺服電機組合，1FT 電機是尺寸緊湊的永磁同步電機，內(nèi)置編碼器，與SINAMICS S120 驅(qū)動系統(tǒng)通過DRIVE-CLiQ 接口連接使用，可以滿足動態(tài)性能、轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍、旋轉(zhuǎn)和定位精度等方面的最高要求。

2.2.4 SINUMERIK PCU 50.5-C

OP 采用SINUMERIK PCU 50.5-C ：Windows 7 ProEmbSys 操作系統(tǒng)，利用Ghost 數(shù)據(jù)備份軟件備份、恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.2.5 IO模塊及通訊模塊

ET200S 實現(xiàn)了遠距離I/O 的輸入，降低了布線成本。在機械手之間以及機械手與檢測設(shè)備之間使用DP Coupler 進行通信，將所有ProfiBus 網(wǎng)絡(luò)連接到一起，將整條線組合為一個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使整線底層自由交互得以實現(xiàn)。

3 主要功能介紹

整條車輪檢測線長度60 m，共有18 個工位，4臺機械手共用整個桁架，每個機械手負責(zé)一段，通過防撞保護以確保安全。每個機械手有5 個軸，分別負責(zé)水平運動、上下運動、夾緊放松及旋轉(zhuǎn),見表1。通過控制桁架機械手的軸運動以及桁架機械手之間的配合來搬運車輪檢測線各工序之間的待檢測車輪，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的實際狀態(tài)，在線優(yōu)化各機械手的搬運路徑。系統(tǒng)核對并確認各車輪的跟蹤信息，讀取各檢測設(shè)備狀態(tài)，生成檢測信息上報至二級服務(wù)器。使車輪檢測線在無人干預(yù)的情況下高效率、滿負荷自動運轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

3.1 跟蹤系統(tǒng)

待檢測車輪進入檢測線上料位后，MES 系統(tǒng)接收上級系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)計劃（包含調(diào)度號，數(shù)量，起始號，鋼種等信息）后，為每個車輪生成以ISN 號為關(guān)鍵字的一條記錄。MES 系統(tǒng)將本批次的部分信息下發(fā)到桁架機械手控制系統(tǒng)。當(dāng)車輪進入檢測線后，桁架機械手控制系統(tǒng)生成ISN 號，并同該車輪的軋件ID匹配，并將匹配結(jié)果上報MES系統(tǒng)。桁架機械手控制系統(tǒng)以ISN 號作標識全程跟蹤車輪的位置。MES 系統(tǒng)管理作業(yè)計劃的狀態(tài)（下發(fā)，開始，中止，完成等）和每個檢測車輪的狀態(tài)，流程見圖2。

圖2 跟蹤系統(tǒng)流程圖

3.2 搬運系統(tǒng)與信號交互

桁架機械手空閑且狀態(tài)正常時，檢測線設(shè)備發(fā)出上料請求信號，桁架機械手響應(yīng)請求抓取車輪給設(shè)備上料并且發(fā)出正在上料狀態(tài)信號，上料完成后，檢測設(shè)備的上料請求信號復(fù)位，機械手運行至安全區(qū)域響應(yīng)其他檢測設(shè)備的上下料請求。檢測設(shè)備完成車輪檢測后會把檢測信息上報至服務(wù)器，然后發(fā)出下料請求。根據(jù)設(shè)備信號的優(yōu)先級，機械手會按順序響應(yīng)檢測設(shè)備的請求。檢測線上的18個設(shè)備工位分配給4個桁架機械手分別管理，1號機械手和2 號機械手的銜接設(shè)備的上料請求由1 號機械手響應(yīng)，下料請求由2 號機械手響應(yīng)。其他的機械手與此類似，在全線18個檢測設(shè)備上交替運轉(zhuǎn)車輪，機械手根據(jù)由上級系統(tǒng)的檢測結(jié)果最終將車輪搬運至合格位、廢品位或返修位。

3.3 目標工位坐標計算

當(dāng)桁架機械手抓取車輪時，上級PLC 會把機械手的坐標下發(fā)給840DSL。傳統(tǒng)的控制方案是把每次檢測新輪型時，手動將當(dāng)前輪型搬運至工位后再將位置坐標示教記錄至數(shù)據(jù)庫中，但是整條檢測線工位較多，而且有4個機械手，每次示教的時間需要幾個小時。對于視生產(chǎn)時間為經(jīng)濟效益的企業(yè)來說，這個方案顯然不可取。

為了使整條檢測線更加智能化，工位坐標采取了自動計算的方案。具體方案是：首先用一種輪型在每個工位上示教后將坐標記錄下來，再根據(jù)當(dāng)前輪型的尺寸參數(shù)以及和各個工位的接觸位置，反推計算出各個工位的相對基準值。則實際工位的坐標公式為：

式中，X 和Z 分別為機械手橫軸和縱軸的目標，坐標值，Xbasic和Zbasic分別為橫軸和縱軸的基準值，Xcount和Zcount分別為橫軸和縱軸的坐標計算值，ΔX和ΔZ 分別為橫軸和縱軸的坐標修正值。車輪尺寸見圖3。計算值是根據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的車輪參數(shù)數(shù)據(jù)計算獲得。

圖3 車輪尺寸參數(shù)示意圖

采用了工位坐標自動計算方案，上級PLC 根據(jù)工位的基準位置和車輪的尺寸參數(shù)自動計算出各個工位的坐標后，再把坐標值發(fā)送給840DSL，機械手就會根據(jù)坐標自動裝載或卸載車輪。

3.4 夾爪V軸目標位自動計算與力矩控制

機械手夾爪V 軸目標位是一個非常重要的參數(shù)，夾爪V 軸目標位不準會造成車輪運轉(zhuǎn)過程中掉落或是機械手本體設(shè)備的損壞。為了保證機械手夾取車輪的過程中安全穩(wěn)定，V 軸的目標位采用自動計算和力矩控制雙重保護。夾爪V 軸的坐標公式為：

式中，V 為機械手夾緊軸的目標坐標值，D 和K分別為圖3中當(dāng)前車輪D參數(shù)和K參數(shù)，W 為圖1中機械手夾爪寬度。

桁架機械手夾緊軸抓取車輪時，系統(tǒng)首先根據(jù)車輪尺寸參數(shù)計算出V 軸坐標，夾爪收縮至計算坐標，此時機械手的已經(jīng)將輪緣卡住，繼續(xù)往里夾同時開啟840DSL 的力矩監(jiān)控，當(dāng)力矩到達目標力矩時，機械手完成車輪抓取。力矩監(jiān)控核心代碼：

N100 FXS[V]=1 FA[V]=500 POS[V]=CLP_V_POS-10 FXSW[V]=100 FXST[V]=7；打開力矩監(jiān)控，V 軸繼續(xù)往里夾，當(dāng)V 軸夾緊力矩為最大驅(qū)動力矩的7%，停止。

3.5 NC程序中的路徑控制核心程序

4 結(jié)束語

車輪檢測線桁架機械手系統(tǒng)于2019 年1 月正式投入使用，運行穩(wěn)定且故障率低。在運行過程中，我們根據(jù)實際情況不斷優(yōu)化，提高檢測線的生產(chǎn)節(jié)奏，保證了整條檢測線滿負荷自動運行。