制動(dòng)器殼體類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)*

葉　寒，付　望，張　軍，劉　華，江　濤 ，戴　琳，何永林，吳　靚

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,南昌　330031；2.江西佳時(shí)特?cái)?shù)控技術(shù)有限公司，南昌　330009)

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制動(dòng)器殼體類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)*

葉寒1，付望1，張軍2，劉華2，江濤2，戴琳2，何永林2，吳靚2

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,南昌330031；2.江西佳時(shí)特?cái)?shù)控技術(shù)有限公司，南昌330009)

摘要：為解決某公司制動(dòng)器殼體零件自動(dòng)加工需求，設(shè)計(jì)了該零件的自動(dòng)化大批量生產(chǎn)線。先分析零件各加工表面及要求，結(jié)合自動(dòng)化需求并保證工序集中和工時(shí)平衡，設(shè)計(jì)了基于5臺(tái)立加和1臺(tái)立車的零件加工工藝；采用了物料輸送機(jī)和機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料，示教模式編寫了機(jī)器人自動(dòng)上下料的運(yùn)動(dòng)程序；采用PLC對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，定義了PLC與機(jī)床及機(jī)器人通信的I/O口地址，根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)了PLC控制程序；最后利用觸摸屏對(duì)生產(chǎn)線中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使用戶能直觀的了解生產(chǎn)線的運(yùn)行情況。經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，該生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，并且零件的單件節(jié)拍約10min，滿足了客戶要求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線；PLC；機(jī)器人；觸摸屏

0引言

隨著勞動(dòng)力成本的增加，許多工廠已經(jīng)意識(shí)到，要想提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，必須從自動(dòng)化生產(chǎn)著手，因此自動(dòng)化生產(chǎn)線在工業(yè)生產(chǎn)中開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。自動(dòng)化生產(chǎn)線將傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床整合起來(lái)，再設(shè)計(jì)配套的機(jī)器人控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)加工的自動(dòng)化[1]。

某公司在對(duì)一種重約30公斤的制動(dòng)器殼體零件加工中，仍采用傳統(tǒng)的人工進(jìn)行搬運(yùn)，裝夾，上下料。勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要的工人數(shù)多，生產(chǎn)效率低。該公司為了提高該零件的生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)成本，提出了該零件的自動(dòng)化大批量生產(chǎn)線的需求。

1零件的工序設(shè)計(jì)

該零件(圖1)有三個(gè)面需要加工，考慮機(jī)加工序排序原則和工時(shí)平衡因素，設(shè)計(jì)了6道工序。①加工底面、8-φ28，將其中2個(gè)φ28孔作為工藝孔；②半精鏜孔φ87及粗精銑上端面，鉆φ4孔；③粗精銑內(nèi)框；④

圖1　制動(dòng)器殼體零件圖

缸孔精加工；⑤鉆頂面深孔；⑥鉆斜油孔，φ3接通孔和粗精銑臺(tái)階面；

2生產(chǎn)線整體布局

該自動(dòng)化流水線的設(shè)備配置如下：

①一臺(tái)立式數(shù)控車床；

②五臺(tái)立式加工中心，并帶有中心出水；

③兩臺(tái)機(jī)器人；

④兩條運(yùn)輸線；

自動(dòng)生產(chǎn)線分為A，B兩個(gè)區(qū)域，A區(qū)域有一臺(tái)機(jī)器人，3臺(tái)立式加工中心，一條運(yùn)輸線；B區(qū)域有一臺(tái)機(jī)器人，2臺(tái)立式加工中心，一臺(tái)數(shù)控車床，一條運(yùn)輸線。布局如圖2所示。

圖2　生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)布局圖

3控制方案設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化生產(chǎn)線中，數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人由本身集成的控制器進(jìn)行控制，為保證整條自動(dòng)化生產(chǎn)線的正常工作，需要通過(guò)一個(gè)中央控制器控制設(shè)備的先后順序[2]。本次設(shè)計(jì)使用西門子S7-1500系列作為控制器，并通過(guò)觸摸屏TP1500進(jìn)行監(jiān)控(見(jiàn)圖3)。

圖3　各設(shè)備間的通信連接

PLC選用CPU 1513-1 PN，擴(kuò)展模塊包括3組DI 32×24V DC直流輸入模塊和2組DQ 32×24V DC/0.5A直流輸出模塊。一共96點(diǎn)輸入和64點(diǎn)輸出。圖4為本次自動(dòng)化生產(chǎn)線的PLC控制系統(tǒng)I/O連接圖中的一部分[3]。

機(jī)器人選用安川ES165D，機(jī)器人控制柜型號(hào)為DX100。該機(jī)器人有6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，通過(guò)按動(dòng)示教編程器上的每個(gè)軸操作鍵，使機(jī)器人的每個(gè)軸產(chǎn)生所需的動(dòng)作。機(jī)器人的移動(dòng)命令記錄有移動(dòng)到的位置、插補(bǔ)方式、再現(xiàn)速度等。為了使機(jī)器人能夠進(jìn)行再現(xiàn)和遠(yuǎn)程模式，就必須用示教操作把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)命令編成程序。具體操作為：①在示教模式下編寫機(jī)器人上下料的運(yùn)動(dòng)程序，并保存；②在再現(xiàn)模式下對(duì)每一段的程序試運(yùn)行；③在遠(yuǎn)程模式，通過(guò)PLC的控制信號(hào)指定進(jìn)行以下操作：接通伺服電源、啟動(dòng)、調(diào)出主程序、設(shè)定循環(huán)等與開(kāi)始運(yùn)行有關(guān)的操作。

該自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)來(lái)著多方面[4]：

①機(jī)床報(bào)警、運(yùn)行、就緒信號(hào)，機(jī)床可上、下料信號(hào)，4號(hào)機(jī)床可旋轉(zhuǎn)工位信號(hào)；

②翻轉(zhuǎn)架上有、無(wú)料信號(hào)；

③液壓壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)；

④傳送帶手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，急停、正轉(zhuǎn)、停止信號(hào)，零件已到位、已拿走信號(hào)，用于推正零件的氣缸位置信號(hào)；

⑤機(jī)器人，上、下料結(jié)束信號(hào)，4號(hào)機(jī)床旋轉(zhuǎn)工位結(jié)束信號(hào)，處于干涉區(qū)信號(hào)，伺服已接通信號(hào)，報(bào)警信號(hào)，遠(yuǎn)程模式中信號(hào)；

⑥生產(chǎn)線，維修、自動(dòng)模式信號(hào)，總控急停信號(hào)。如表1所示。

表1　自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)輸入分配表

續(xù)表

輸出信號(hào)有：

①呼叫機(jī)器人A給傳送帶下料信號(hào)，呼叫機(jī)器人給機(jī)床上、下料信號(hào)，告訴機(jī)器人A翻轉(zhuǎn)架有料信號(hào)，呼叫機(jī)器人B給翻轉(zhuǎn)架下料信號(hào)，告訴機(jī)器人B零件已經(jīng)離開(kāi)信號(hào)，給4號(hào)機(jī)床旋轉(zhuǎn)工位信號(hào)，禁止機(jī)器人進(jìn)入干涉區(qū)信號(hào)，機(jī)器人外部啟動(dòng)、暫停、急停信號(hào)；

②傳送帶末端的氣缸頂出信號(hào)；

③呼叫機(jī)床上、下料信號(hào)，呼叫4號(hào)機(jī)床夾具旋轉(zhuǎn)信號(hào)。如表2所示。

表2　自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)輸出分配表

圖4　PLC外部I/O連接圖(部分)

4控制系統(tǒng)編程

使用西門子公司的TIA Portal軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程與仿真，對(duì)觸摸屏的人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1程序設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)生產(chǎn)線的控制要求，繪制A，B兩個(gè)區(qū)域的工藝流程圖。圖5為A區(qū)域流程。

圖5　A區(qū)域流程工藝流程圖

(2)設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)，采用模塊化編程，將程序根據(jù)功能不同分為不同的邏輯塊，且每一邏輯塊完成的功能不同，其特點(diǎn)是易于分工合作，調(diào)試方便[5]。在本次自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，把PLC的應(yīng)用程序分為27個(gè)模塊：包括6臺(tái)機(jī)床的控制模塊OB124、OB125、OB126、OB129、OB130、OB131，6臺(tái)機(jī)床的監(jiān)控模塊OB123、OB132、OB136、OB133、OB134、OB135，產(chǎn)量及時(shí)間監(jiān)控模塊OB138，傳送帶A的順序控制的功能塊FB3和數(shù)據(jù)塊DB3，傳送帶A的監(jiān)控模塊OB137，傳送帶B的控制模塊OB128，傳送帶A的監(jiān)控模塊OB140，翻轉(zhuǎn)架的控制模塊OB127，機(jī)器人A+B的互鎖和保護(hù)模塊OB141，總控柜的監(jiān)控模塊OB142，循環(huán)主程序OB1，機(jī)器人A的功能塊FB2和數(shù)據(jù)塊DB2，機(jī)器人B的功能塊FB1和數(shù)據(jù)塊DB1[6]。

(3)編寫各模塊程序，通過(guò)TIA Portal V13軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程。例如在機(jī)器人A、B和傳送帶A的順序控制模塊中，采用GRAPH編程語(yǔ)言來(lái)編寫順序控制程序，S7 GRAPH以圖形化方式清晰的表明了控制的過(guò)程，調(diào)試方便。在編寫順序功能圖時(shí)需要3個(gè)塊：調(diào)用S7 GRAPH的塊、S7 GRAPH FB塊(描述順序控制的塊)和S7 GRAPH FB的背景數(shù)據(jù)塊[7]。機(jī)器人A的功能塊程序如圖6所示。

圖6　機(jī)器人A的功能塊程序

(4)程序的仿真，在TIA Portal V13軟件中，包含有SIMATIC STEP7 PLCSIM，可以對(duì)編寫的程序進(jìn)行仿真，方便發(fā)現(xiàn)程序邏輯上的錯(cuò)誤并進(jìn)行修改。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在TIA Portal V13，還集成有組態(tài)軟件SIMATIC WinCC version 13，可以對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。人機(jī)界面最基本的功能是顯示PLC中的開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)和寄存器中的變量值，用監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出命令，并修改PLC寄存器中的參數(shù)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程的可視化，顯示報(bào)警和記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)[8]。

本次柔性生產(chǎn)線設(shè)計(jì)上，觸摸屏TP1500與PLC1500建立MPI/DP連接，需要監(jiān)控的信號(hào)如表3所示。

制作人機(jī)界面，要求顯示各機(jī)床的狀態(tài)，機(jī)器人的狀態(tài)，零件加工數(shù)，生產(chǎn)計(jì)劃，單件節(jié)拍，總控柜的狀態(tài)[9]，如圖7所示。

表3　監(jiān)控信號(hào)分配表

圖7　觸摸屏監(jiān)控畫面

5結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)生產(chǎn)線，以PLC作為總控，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的自動(dòng)加工，機(jī)器人的自動(dòng)上下料和整條生產(chǎn)線的監(jiān)控，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，該零件的單件節(jié)拍約10min，滿足用戶要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[9] 王建.觸摸屏實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

(編輯李秀敏)

The Design of Automatic Production Line of Brake Housing Parts

YE Han1,FU Wang1,ZHANG Jun2,LIU Hua2,JIANG Tao2,DAI Lin2,HE Yong-lin2,WU Liang2

(College of Mechanical and Electrical Engineering,NanChang University, Nanchang 330031, China;Jiangxi Just Numerical Control Technology Co.,Ltd.,Nanchang 330009,China)

Abstract：An automatic production line of a brake housing part was designed to achieve automatic production．The production line composed of five machining center and one vertical lathe by analyzing the size accuracy and smooth of surface needed to be machined. Using the conveyor and robots to achieve automatic parts moving. The robots was programmed in the teaching mode. The PLC was using as a main controller for the production line. The communication protocol between machines, PLC and robots are defined. The PLC was programmed according to the flow chart of the process. A touch screen was using to monitor all the machine in the production line．The production line is reliable and stable by practice test. The processing time for each part is about 10 minutes within the custom′s requirement.

Key words：automatic production line;PLC;robot;HMI

中圖分類號(hào)：TH122；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：葉寒(1976—)，男，江西進(jìn)賢人，南昌大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化，(E-mail)nuaayehan@163.com。

*基金項(xiàng)目：南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金資助(cx2015057)

收稿日期：2015-04-28

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0115-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.032