一種道岔墊板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜旭東， 王 琛

（1.中鐵高新工業(yè)股份有限公司， 北京 100000； 2 中鐵寶橋集團(tuán)有限公司， 陜西 寶雞 721006）

1 現(xiàn)有道岔墊板生產(chǎn)技術(shù)概況

目前道岔墊板生產(chǎn)依靠單機(jī)生產(chǎn)，墊板生產(chǎn)主要工序有：下料（剪切）、調(diào)平、鉆孔、機(jī)加工、打印標(biāo)記等。生產(chǎn)工序較為分散，整個(gè)生產(chǎn)過程中，板件需經(jīng)人工搬運(yùn)多次，效率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，嚴(yán)重制約道岔墊板生產(chǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，可以針對(duì)道岔墊板生產(chǎn)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套墊板生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，利用先進(jìn)的控制技術(shù)使得道岔墊板生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)[1]。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

該控制系統(tǒng)基于墊板自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，墊板生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)有扁鋼原材上料、校平、原材分料系統(tǒng)至后工序兩條線、一線打號(hào)、二線打號(hào)、一線鉆孔、二線鉆孔、一線剪切、二線剪切、一線堆碼垛、二線堆碼垛幾個(gè)部分?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

控制部分由西門子S7-1200 系列PLC、西門子觸摸屏、西門子伺服、變頻器等組成，橫向料道移動(dòng)部分采用變頻器控制整包扁鋼板橫向移動(dòng)，磁力吊的橫向移動(dòng)采用西門子伺服電機(jī)控制，具有定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)線設(shè)置有總控計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)預(yù)裝有自主開發(fā)的生產(chǎn)線控制軟件，用于整條生產(chǎn)線參數(shù)、加工程序的生成、料單管理以及傳輸，同時(shí)兼顧整條生產(chǎn)線各單元信號(hào)以及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視及控制。該計(jì)算機(jī)利用西門子總線控制技術(shù)，將各控制部分PLC、控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，組成該生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。同時(shí)該控制系統(tǒng)預(yù)留ERP 信息接口[2-3]。

3 控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

該控制系統(tǒng)主要由工業(yè)總控計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃料單對(duì)原材進(jìn)行排料、生成自動(dòng)打號(hào)程序信息、自動(dòng)鉆孔程序信息和自動(dòng)剪切程序信息，并根據(jù)檢測(cè)條件利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向各部分準(zhǔn)確傳輸加工信息，使其自動(dòng)化生產(chǎn)；同時(shí)能根據(jù)料件信息與料單相結(jié)合控制自動(dòng)分料部分，將料件自動(dòng)、合理分配至相關(guān)線道。該總控計(jì)算機(jī)能協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)之間的工作關(guān)系，能及時(shí)進(jìn)入暫停、停止、等待等工作模式。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 主界面設(shè)計(jì)

在工業(yè)總控機(jī)上打開數(shù)控墊板生產(chǎn)線上位機(jī)編程軟件文件后出現(xiàn)初始化界面，初始化界面過后出現(xiàn)主界面，如圖2 所示。

1）加工文件存儲(chǔ)路徑：提供了與EXCEL 軟件的數(shù)據(jù)接口，把需要處理的EXCEL 文件保存于D：XLS文件夾內(nèi)。

2）加工圖紙存儲(chǔ)路徑：提供了與CAD 等繪圖軟件的數(shù)據(jù)接口，把需要處理的DXF 圖紙文件保存于D：DXF 文件夾內(nèi)。

圖2 上位機(jī)控制系統(tǒng)主界面

3）程序處理：自動(dòng)處理選中的工件程序中包含DXF 圖紙中數(shù)量、加工孔的個(gè)數(shù)、工件長(zhǎng)度等信息。

4）顯示圖形：顯示選中的圖形文件的圖形，顯示孔數(shù)、孔徑、打字內(nèi)容、剪切位置并通過不同的顏色區(qū)分。

5）程序編制：將圖形轉(zhuǎn)化為零件程序。程序處理完畢，會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框。

6）參數(shù)設(shè)定設(shè)定機(jī)床需要的加工參數(shù)。

7）文件存放選擇存放的文件目錄，自動(dòng)保存在D：MPF 文件夾內(nèi)，生成西門子828D 數(shù)控加工程序。

3.2 各單元設(shè)計(jì)

總體控制邏輯示意圖見圖3。

圖3 控制邏輯示意圖

3.2.1 自動(dòng)上料部分控制器

自動(dòng)上料部分控制器根據(jù)計(jì)算機(jī)料單信息自動(dòng)計(jì)算所需料件數(shù)量，自動(dòng)控制該部分運(yùn)行上料，該部分能自動(dòng)檢測(cè)下道校平工序是否正常、校平機(jī)是否正在加工，能向校平工序傳輸上料部分無料、故障等信息使下道工序做出暫停、停止等動(dòng)作。

3.2.2 自動(dòng)校平部分控制器

自動(dòng)校平部分控制器能根據(jù)自動(dòng)上料部分傳輸?shù)牧霞竭_(dá)、故障、無料等信息進(jìn)行自動(dòng)校平工作，同時(shí)能向自動(dòng)上料部分控制器和下道自動(dòng)分料部分控制器傳輸故障、料件到達(dá)、校平數(shù)量等信息，連接上下道工序做出等待、暫停等動(dòng)作。

3.2.3 分料部分控制器

分料部分控制器能根據(jù)上道校平工序傳輸?shù)牧霞竭_(dá)信息、數(shù)量信息及時(shí)向總控計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)總控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令信息將校平后的料件自動(dòng)分撥到相應(yīng)的線道，該部分是與后續(xù)兩條線道的連接部分。

3.2.4 一線打號(hào)控制器和二線打號(hào)控制器

一線打號(hào)控制器和二線打號(hào)控制器是相同且獨(dú)立的兩套控制系統(tǒng)，分別設(shè)置在道岔墊板生產(chǎn)線后半部。這兩部分能分別檢測(cè)到分料部分控制器所傳輸?shù)牧霞竭_(dá)信息并向總控計(jì)算機(jī)發(fā)出信息，并能根據(jù)總控計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)拇蛱?hào)信息自動(dòng)、準(zhǔn)確地在料件上自動(dòng)打號(hào)。該兩部分能分別獨(dú)立檢測(cè)到分料部分控制器所傳輸?shù)牧霞竭_(dá)、故障等信息，能及時(shí)做出停止、暫停等動(dòng)作，并能向上下連接部分控制器做出自身的故障、正在加工等信息使上下工序做出等待、暫停動(dòng)作。

3.2.5 一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器

一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器是兩套相同且獨(dú)立的控制系統(tǒng)，分別與一線打號(hào)部分控制器和二線打號(hào)部分控制器相連，能根據(jù)上道工序傳輸料件到達(dá)信息及時(shí)向總控計(jì)算機(jī)傳輸指令，并根據(jù)總控計(jì)算機(jī)傳輸?shù)你@孔信息能及時(shí)、準(zhǔn)確調(diào)取鉆孔信息，一次在料件上自動(dòng)鉆孔。該部分能根據(jù)上下連接部分控制器自動(dòng)傳輸故障、待料的信息，同時(shí)也能根據(jù)上下連接部分控制器傳輸?shù)墓收稀⒄诩庸さ刃畔⒆龀鰰和?、停止等?dòng)作。

鉆孔部分以板材6 000 mm×180 mm 示例，先生成DXF 圖紙文件。鉆孔距料頭具體孔間距如圖4 所示，打開上位機(jī)軟件，選擇生成的DXF 圖紙，輸入工件參數(shù)如圖5 所示，生成加工程序。

圖4 鉆孔距料頭具體孔間距（單位：mm）

圖5 輸入?yún)?shù)界面

3.2.6 一線剪切控制器和二線剪切控制器

一線剪切控制器和二線剪切控制器是兩套相同的且獨(dú)立的控制系統(tǒng)，分別與一線鉆孔控制器和二線鉆孔控制器相連，能根據(jù)上道工序傳輸?shù)牧霞竭_(dá)信息向總控計(jì)算機(jī)傳輸信息，同時(shí)能根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)募羟行畔⒛茏詣?dòng)、準(zhǔn)確地在料件上依次剪切。該部分能根據(jù)上下部分控制所傳輸?shù)墓收?、待料等信息，同時(shí)也能根據(jù)上下連接部分控制器傳輸?shù)墓收?、滿垛、正在加工等信息做出暫停、停止等動(dòng)作。

3.2.7 一線堆碼垛控制器和二線堆碼垛控制器

一線堆碼垛控制器和二線堆碼垛控制器是兩套相同且獨(dú)立的控制系統(tǒng)，分別與一線剪切控制器和二線剪切控制器相連，能根據(jù)上道工序所傳輸?shù)牧霞竭_(dá)、故障等信息做出自動(dòng)對(duì)碼垛、停止等動(dòng)作，也可以像向上道工序控制器傳輸故障、滿垛等信息。

由于該生產(chǎn)線由6 套數(shù)控系統(tǒng)組成，在所生成的數(shù)控加工程序中自動(dòng)生成相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置檢索語句，不同部分的數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢索相應(yīng)的加工程序，可以有條不紊的執(zhí)行。

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

本設(shè)計(jì)不僅使生產(chǎn)過程變?yōu)榱诉B續(xù)流水線作業(yè)，且在各個(gè)工序的操作上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制；實(shí)現(xiàn)方式通過人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行指令傳達(dá)及具體程序編寫，與道岔智能制造這一方向是匹配的，使得道岔墊板加工方式達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在同行業(yè)起到引領(lǐng)性作用。

本設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)控制的流水線作業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化操作，對(duì)不同型號(hào)墊板件由開始的工件準(zhǔn)備到最終成品碼垛，均實(shí)現(xiàn)了尺寸檢測(cè)、規(guī)格區(qū)分、按品種加工制造等功能，絕大部分工序均可替代人工操作，而且有效減少了人工操作的失誤，社會(huì)效應(yīng)明顯。

經(jīng)過測(cè)算，使用該系統(tǒng)后整體工序操作人員數(shù)量由12 人減為4 人，生產(chǎn)線效率由每班加工800 塊提高為每班加工1 500 塊，且質(zhì)量較人工更加穩(wěn)定，在成本方面具有較大優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。