韓金利

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系，山西 長治 046000)

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”以及“中國制造2025”規(guī)劃的提出，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)推動(dòng)了數(shù)控裝備技術(shù)的發(fā)展[1]。另外，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口紅利逐步減少，很多企業(yè)出現(xiàn)了招工困難、操作工人流動(dòng)性大、管理困難等問題，在機(jī)加行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床上下料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化已經(jīng)成為必然趨勢，與此同時(shí)，企業(yè)也需要大量的自動(dòng)上下料工作站維護(hù)維修人員，對(duì)于高職院校來說，加強(qiáng)學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上下料方面的培訓(xùn)顯得極其重要。

針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于828D數(shù)控系統(tǒng)的簡易上下料裝置，采用ABB六關(guān)節(jié)機(jī)器人作為運(yùn)料執(zhí)行器，以西門子S7-1200為主控制器，使用一臺(tái)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站進(jìn)行監(jiān)控，學(xué)生還可以利用這臺(tái)PC進(jìn)行編程練習(xí)。

1 自動(dòng)上下料工作站實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件構(gòu)成

該實(shí)驗(yàn)裝置采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)器人采用ABB IRC5 compact控制器，本體采用IRB120，總控采用S7-1200PLC，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)上下料工作站實(shí)驗(yàn)裝置的總體框圖

1.2 控制方案

根據(jù)自動(dòng)上下料控制要求，完成 SINUMERIK828D 數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輸入輸出模塊PP72/48、總控PLC、機(jī)器人控制器等模塊的安裝與調(diào)試[2]，并滿足以下控制要求：①數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人配合完成物料的自動(dòng)上料與下料[3]；②工作站具備緊急停止功能；③根據(jù)控制要求，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)打開關(guān)閉安全門、夾緊松開夾具的功能；④可以實(shí)現(xiàn)上下料工作過程的在線監(jiān)控功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

為滿足機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、總控PLC三者之間信號(hào)交互的要求，需要對(duì)三者之間的I/O地址進(jìn)行分配，并采用博圖軟件對(duì)總控PLC進(jìn)行編程以及組態(tài)監(jiān)控。

2.1 PLC I/O分配

由于本設(shè)計(jì)中增加的卡盤、機(jī)床防護(hù)門要求總控與數(shù)控機(jī)床控制面板都能直接控制其開合[4]，故數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝PLC與總控交互信號(hào)設(shè)定在PP72/48 I/O板的X222接口上。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝PLC I/O分配如表1所示。機(jī)器人在上下料過程中需要與總控配合完成，總控在數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人之間起橋梁作用，機(jī)器人通過IRC5 compact 機(jī)器人控制柜XS12、XS13、XS14、XS15接口與總控進(jìn)行信號(hào)交互，總控PLC I/O分配如表2所示。

表1 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝PLC I/O分配

表2 總控PLC I/O分配

2.2 上下料總體流程

總控發(fā)出遠(yuǎn)程啟動(dòng)信號(hào)給加工單元，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸回到安全位置，數(shù)控系統(tǒng)暫停運(yùn)行，發(fā)送暫停信號(hào)給總控；總控接收暫停信號(hào)以及機(jī)器人請(qǐng)求放料信號(hào)，總控發(fā)送安全門打開與夾具松開信號(hào)給數(shù)控加工單元，數(shù)控系統(tǒng)打開安全門、松開夾具，并將門已開與夾具已松信號(hào)發(fā)送給總控；總控接收到門已開信號(hào)與夾具已松信號(hào)，并將允放信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人；機(jī)器人接收到允放信號(hào)后將工件放入機(jī)床，并回到安全點(diǎn)，發(fā)送放完成信號(hào)給總控；總控接到放完成信號(hào)后發(fā)送夾具夾緊與門關(guān)信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具夾緊，安全門關(guān)閉，并將夾緊信號(hào)與門已關(guān)信號(hào)發(fā)給總控；總控發(fā)送CNC繼續(xù)運(yùn)行信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，加工完成后，發(fā)送加工完成信號(hào)給總控；總控接到加工完成信號(hào)，發(fā)送門開與夾具松開信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具松開，安全門打開，并將夾具松開信號(hào)與門已開信號(hào)發(fā)給總控；總控接到夾具松開信號(hào)與門已開信號(hào)，發(fā)送允取信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人將工件取出，回到安全點(diǎn)，并將取完成信號(hào)發(fā)送給總控；總控接到取完成信號(hào)，將關(guān)門信號(hào)與夾緊信號(hào)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。

3 工作站遠(yuǎn)程監(jiān)控界面組態(tài)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)軟件采用西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件SIMATIC WinCC，與西門子SIMATIC S7-1200(CPU 1212C)建立通信連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站自動(dòng)上下料過程的在線監(jiān)控，生動(dòng)、直觀地展現(xiàn)機(jī)械手上下料動(dòng)態(tài)過程，便于技術(shù)維修人員盡快定位故障點(diǎn)、排除故障；另外學(xué)生在觀察上下料內(nèi)部過程及PLC的運(yùn)行狀態(tài)后，可增強(qiáng)其對(duì)工作站的了解。

3.1 工程建立及通信配置

WinCC項(xiàng)目創(chuàng)建首先打開博圖軟件，在項(xiàng)目樹中點(diǎn)擊【項(xiàng)目】，【添加新設(shè)備】，選擇【PC系統(tǒng)】中的【W(wǎng)inCC Professional】，點(diǎn)擊添加；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，給添加的模塊配置通信模塊——“常規(guī)IE”；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，單擊上方的【連接】選項(xiàng)，通過拖拉將【W(wǎng)inCC模塊的IE接口】連接到【PLC的PROFINET接口】上即可完成通訊配置。在控制面板下，單擊右上方的搜索框，輸入PG，點(diǎn)擊設(shè)置【PG/PC接口】，在配置窗口中打開【下拉菜單】，選擇【S7ONLINE(STEP7)】選項(xiàng)，然后在下方窗口中選擇【電腦網(wǎng)卡型號(hào)的TCP/IP.AUTO.1】，點(diǎn)擊左下方確定完成配置。

3.2 添加畫面

在項(xiàng)目視圖【HMI_RT_1[WinCC Professional]】下，打開【畫面】選項(xiàng)，添加新畫面，選擇畫面右鍵【重命名】畫面名稱，同時(shí)設(shè)置畫面大小。選中要更改的畫面，右鍵選擇【動(dòng)態(tài)化總覽】，在【周期】的選項(xiàng)中將時(shí)間周期改為250 ms。

3.3 建立組態(tài)連接

將上下料裝置監(jiān)控畫面內(nèi)的各種對(duì)象分別與PLC變量之間建立關(guān)系，當(dāng)PLC變量值(上料與下料動(dòng)作)改變時(shí)，在畫面上能夠直觀地看到圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果。

3.4 運(yùn)行調(diào)試

右擊【HMI_RT_1[WinCC Professional]】，在跳出的菜單中選中【開始仿真】，點(diǎn)擊即可跳出仿真頁面。圖 2為上下料工作站的信號(hào)監(jiān)控界面，可以監(jiān)控安全門(打開、關(guān)閉)、夾具運(yùn)動(dòng)(夾緊、松開)、機(jī)械手快換(夾緊、松開)、數(shù)控系統(tǒng)(運(yùn)行、暫停)等動(dòng)作的執(zhí)行。圖3為上下料工作站的流程監(jiān)控頁面，可以對(duì)整個(gè)上下料過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 上下料工作站的信號(hào)監(jiān)控界面

圖3 上下料工作站流程監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

本方案設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料工作站結(jié)構(gòu)簡單，不但能夠滿足學(xué)生對(duì)上下料流程的S7-1200的編程實(shí)訓(xùn)，學(xué)生還可以利用PLC programming tool 編程軟件編寫機(jī)床側(cè)數(shù)控PLC，完成對(duì)數(shù)控系統(tǒng)PLC的技術(shù)改造。實(shí)踐證明，該裝置實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)今后的教學(xué)工作以及自動(dòng)生產(chǎn)線的改造具有參考意義。