陳文科，周睿舜

（長沙民政職業(yè)技術學院 電子信息工程學院，湖南長沙，410000）

數(shù)控加工是現(xiàn)代制造業(yè)關鍵的一種工藝方法，能夠解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題，被廣泛應用于工程機械、高鐵、航空航天等領域。在數(shù)控加工過程中，工件的上下料通常由人工完成，其工作效率相對較低，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化、智能化要求。此外，人工上下物料的過程存在一定的安全隱患，不利于安全生產(chǎn)?；诖?，設計智能化的數(shù)控加工產(chǎn)線具有重要意義。

近年來，隨著智能制造技術的不斷發(fā)展，工業(yè)機器人技術被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中完成搬運、碼垛、分揀等工作，一定程度上降低了安全風險，同時提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。將工業(yè)機器人應用于數(shù)控加工產(chǎn)線中，替換人工完成上下料，一定程度上能夠提高數(shù)控加工產(chǎn)線的智能化程度。本文基于國產(chǎn)埃夫特工業(yè)機器人設計了數(shù)控加工智能化產(chǎn)線，結合西門子PLC 構建基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制總線，通過PLC 控制工業(yè)機器人實現(xiàn)了物料的智能化調度，一定程度上提高了數(shù)控加工產(chǎn)線的智能化程度。該產(chǎn)線采用模塊化結構設計，具有安裝、拆卸靈活，既可以用于工業(yè)現(xiàn)場實際生產(chǎn)，又可以用于學校實訓教學，有效解決了教學項目滯后于生產(chǎn)實際的問題。

1 系統(tǒng)整體設計

基于工業(yè)機器人的數(shù)控加工智能化產(chǎn)線采用模塊化的設計理念，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行信息交互，具體結構如圖1 所示。該產(chǎn)線包括定節(jié)距上料單元、帶地軌的工業(yè)機器人單元、數(shù)控加工單元、PLC 總控單元以及下料單元。

圖1 系統(tǒng)結構圖

在該系統(tǒng)中，總控單元負責系統(tǒng)總體調度，包括工業(yè)機器人上下料指令的下達，上下料單元運行節(jié)拍的控制等。定節(jié)距上料單元采用PLC 為控制核心，根據(jù)總控單元要求進行物料的定節(jié)距傳送。帶地軌的工業(yè)機器人單元主要功能是根據(jù)命令將待加工物料運送至數(shù)控加工單元，并將加工完畢產(chǎn)品運送至下料單元。數(shù)控加工單元則負責進行物料的數(shù)控加工，并及時發(fā)送上下料請求信號。下料單元負責將加工完畢的產(chǎn)品運送至下一道包裝工序。

2 系統(tǒng)硬件設計

■2.1 PLC 總控單元

PLC 總控單元為整個系統(tǒng)的“大腦”，負責協(xié)調產(chǎn)線的運行，系統(tǒng)運行邏輯均由總控單元編程實現(xiàn)?？偪貑卧捎肞LC+PROFINET 遠程模塊的控制結構，PLC 硬件資源主要用于系統(tǒng)啟?？刂?、工業(yè)機器人地軌伺服驅動控制，PROFINET 遠程模塊則用于數(shù)控機床信息交互、定節(jié)距上料單元控制、下料單元控制等?？偪貑卧蠵LC 為西門子中小系列S7-1200 系列PLC，該系列PLC 采用模塊化結構，具有通信功能和工藝功能，可以采用梯形圖、SCL等編程方式進行程序設計，其指令系統(tǒng)豐富，為用戶提供了許多高級指令，具有編程簡單、可靠性和穩(wěn)定性高的特點。PROFINET 遠程模塊為的南京華太自動化技術有限公司生產(chǎn)的PROFINET 適配器FR8210 及其輸入輸出模塊FR1108、FR2108。PROFINET 適配器FR8210 供電電源為24V DC(18 ～36V)，總線速率可達100Mbps，傳輸距離可達100m，適配IO 數(shù)量為32 個，其輸入輸出均可達32 個字節(jié)，具有溫度監(jiān)控和系統(tǒng)電源監(jiān)控功能。FR1108 是8 通道數(shù)字量輸入模塊，輸入信號類型為PNP，輸入邏輯“1”信號范圍為15~30 V，輸入邏輯“0”信號范圍為-3 ～3V，具有可配置的去抖動時間，采用光耦隔離，支持模塊溫度異常告警和系統(tǒng)電源監(jiān)控。

■2.2 定節(jié)距上料單元

定節(jié)距上料單元采用鏈條傳送結構，通過變頻器驅動電機實現(xiàn)。系統(tǒng)中采用的變頻器為三菱FR-D700S 變頻器，其電氣原理圖如圖2 所示。FR-D700 系列變頻調是一種緊湊型多功能變頻器，其功率范圍為0.4~7.5KW，采用長壽命元器件，內置Modbus-RTU 協(xié)議和制動晶體管，帶安全停止功能。圖中，繼電器KA1 和KA2 均由遠程模塊進行控制，當KA1 得電時，電動機朝正方向運行，用于正常生產(chǎn)；當KA2 得電時，電動機朝反方向運行，用于系統(tǒng)維護和調試。

圖2 變頻控制電路

■2.3 帶地軌的工業(yè)機器人單元

工業(yè)機器人采用埃夫特智能裝備有限公司生產(chǎn)的ER50A-C10 型，其額定功率為5 KW，最大負載為50 KG，采用KEBA 機器人系統(tǒng)，具有編程簡單、擴展方便的優(yōu)點。為擴展工業(yè)機器人的工作范圍，采用PLC 控制伺服驅動系統(tǒng)設計了工業(yè)機器人地軌。工業(yè)機器人地軌控制系統(tǒng)中采用的PLC 為西門子S7-1200，伺服系統(tǒng)為三菱伺服驅動器MR-JE-40A 及對應伺服電機，電氣圖紙如圖3 所示。為了實現(xiàn)地軌的精確定位，采用了全閉環(huán)的控制結構，設計了地軌的原點位置檢測、左極限位置檢測、右極限位置檢測等，確保了工業(yè)機器人運行安全。工業(yè)機器人和PLC 之間采用最直接的IO 連接進行通信，工業(yè)機器人和PLC 之間能夠實現(xiàn)信息的雙向傳遞。

圖3 地軌伺服驅動系統(tǒng)

■2.4 數(shù)控加工單元

數(shù)控加工單元為SIEMENS 828D 數(shù)控銑床。SIEMENS 828D 是西門子公司最新推出的一款基于面板的緊湊型數(shù)控系統(tǒng)，配置了TFT 彩色顯示器和先進的QWERT 全尺寸CNC 鍵盤，具有來回有更好的操作性能以及操作體驗。數(shù)控加工單元與總控單元PROFINET 遠程模塊相連，具體電路如圖4 所示。PROFINET 遠程模塊與數(shù)控加工單元之間的信息交互主要是實現(xiàn)對機床夾具、前門、后門等裝置的控制，用以實現(xiàn)對機床上下料的前置條件控制。當機床發(fā)出上料請求后，需要控制打開其前門；當機床發(fā)出下料請求后，需要控制打開其后門。

圖4 數(shù)控接口電路圖

■2.5 下料單元

下料單元采用傳送帶結構，通過直流電機正反轉來實現(xiàn)傳送帶正反轉，其主電路如圖5 所示。其工作原理是通過繼電器互鎖方式實現(xiàn)其正反轉，當繼電器K1 接通時，電機正轉，當繼電器K2 接通時，電機反轉。正常工作時，傳送帶運行方向為正方向，當系統(tǒng)處于調試或維修狀態(tài)時，需要對其進行反方向控制。

圖5 下料單元控制電路

3 軟件程序設計

■3.1 PLC 程序設計

SIEMENS S7-1200 PLC 程序設計采用博圖軟件，該軟件可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅動產(chǎn)品進行組態(tài)、編程和調試，支持SIMATIC S7-1500、SIMATIC S7-1200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400 控制器、同時也支持基于PC 的SIMATIC WinAC自動化系統(tǒng)。在進行PLC 程序設計前，需要根據(jù)現(xiàn)場硬件系統(tǒng)進行設備組態(tài)，本項目網(wǎng)絡拓撲如圖6 所示。為了進行正常通信，需要確保各個PROFINET 模塊處于同一網(wǎng)段，本項目中 將 總 控PLC 的IP 地址設置為192.168.0.1，定節(jié)距上料單元IP 地址設置為192.168.0.2，下料單元IP 地址設置為192.168.0.3， 數(shù) 控單元IP 地址設置為192.168.0.4。

圖6 PLC 網(wǎng)絡拓撲

為了提高程序的可讀性和調試的便捷性，采用了模塊化設計程序。根據(jù)系統(tǒng)功能主要包括系統(tǒng)流程控制、地軌伺服控制、定節(jié)距上料單元控制、下料單元控制、數(shù)控機床控制，程序調用如圖7所示。系統(tǒng)流程控制主要根據(jù)初始化條件，完成系統(tǒng)運行調度；地軌伺服控制程序塊主要實現(xiàn)地軌點動運行、絕對位置運動、回原點運動以及機器人PLC 通信等功能；定節(jié)距上料單元控制程序塊主要實現(xiàn)待加工物料的運輸，根據(jù)系統(tǒng)流程要求，實時將物料運輸至上料抓取工位，以供工業(yè)機器人進行抓??；下料單元控制程序塊主要根據(jù)系統(tǒng)調度要求，及時將加工完畢后的物料傳送至下一道工序，保證物料沒有滯留；數(shù)控機床控制程序塊主要實現(xiàn)數(shù)控機床上下料信號發(fā)送、上下料動作運行控制、工業(yè)機器人及數(shù)控配合協(xié)調功能。

圖7 PLC 主程序

■3.2 工業(yè)機器人程序設計

埃夫特ER50A-C10 型工業(yè)機器人采用KEBA 系統(tǒng)，采用面向機器人操作用戶點的編程語言KAIRO 語言，主要包括機器人運動控制指令、時間管理指令、運動狀態(tài)設置指令、流程控制指令、系統(tǒng)功能指令等。根據(jù)產(chǎn)線工藝要求，設計了如圖8 所示機器人程序流程圖。工業(yè)機器人主程序中設置一個死循環(huán)，在收到上料信號后，開始調用上料程序，完成上料；上料完畢后，繼續(xù)等待下料信號，當收到下料信號后，開始調用下料程序，完成下料；下料完畢后，工業(yè)機器人運行至初始位置，等待數(shù)控機床上料信號的到來，如此反復。該控制方式是基于一臺數(shù)控加工機床配置一臺上下料工業(yè)機器人的要求進行設計的，其設備利用效率相對不高。后期在產(chǎn)線進行改造升級時，可以考慮通過一臺工業(yè)機器人配合多臺數(shù)控加工機床工作，通過調節(jié)優(yōu)化工業(yè)機器人運行節(jié)拍，進而最大限度提高設備利用率。

圖8 工業(yè)機器人程序流程圖

4 結語

在產(chǎn)教融合背景下，生產(chǎn)實訓設備不能僅僅只應用于教學中，應該能夠用于實際生產(chǎn)?；诠I(yè)機器人的數(shù)控加工智能產(chǎn)線采用模塊化設計理念，直接對接企業(yè)生產(chǎn)項目。當設備閑時，可以應用于工業(yè)機器人技術專業(yè)進行安裝、調試、系統(tǒng)集成等課程實訓教學，極大提高了產(chǎn)線的使用效率，提高了其共享性。該產(chǎn)線集PLC 控制技術、PROFINET 通信技術、數(shù)控加工技術、工業(yè)機器人技術于一體，具有一定的先進性，能為企業(yè)設計智能制造體系提供一定的參考，具有較強的借鑒意義。