智能化接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)開發(fā)

朱興華， 劉海斌， 張 飛

（常州數(shù)控技術(shù)研究所， 江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步， 快捷舒適的高鐵越來越成為眾多人中短途優(yōu)選的交通工具， 高鐵不但改變了生活理念和出行方式，也成為國家的一張科技名片。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為高鐵供電系統(tǒng)的重要組成部分， 其中主要為承力索座和接觸線提供支持的腕臂裝置至關(guān)重要[1]。腕臂結(jié)構(gòu)的工作性能、穩(wěn)定性與可靠性直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性； 接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)零件主要包含腕臂底座、腕臂支撐結(jié)構(gòu)、定位裝置、定位器和定位卡子等[2]，零件較多，涉及工藝復(fù)雜，安裝要求高。

智能化接觸網(wǎng)預(yù)配生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要控制生產(chǎn)線完成鋁合金腕臂的預(yù)配安裝，生產(chǎn)線具備自動(dòng)上料、定長切割、自動(dòng)對(duì)鉆定位孔、劃線噴碼、修磨去毛刺、承力索座自動(dòng)上料裝配、 套管座自動(dòng)上料裝配、 定位環(huán)自動(dòng)上料裝配、腕臂自動(dòng)下料和云平臺(tái)信息上傳等功能，智能化和自動(dòng)化水平高，裝配精度高，生產(chǎn)效率高，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠。

1 智能化接觸網(wǎng)預(yù)配生產(chǎn)線

1.1 腕臂預(yù)配生產(chǎn)線設(shè)備組成

腕臂預(yù)配生產(chǎn)線由9 個(gè)部分組成，圖1 所示。 ①翻料架，完成12 米鋁管的翻料和送料；②成型裝置，主要完成鋁管的鋸切、鉆孔和修磨工作；③輸送噴碼機(jī)，完成腕臂信息、 定位信息、 條形碼和二維碼噴涂和腕臂的過渡移動(dòng)；④上料裝置1，完成承力索座（1#）和套管座（2#）的上料和輸送料；⑤裝配裝置1，完成承力索座和套管座在鋁管上的定位和安裝；⑥上料裝置2，完成定位環(huán)（腕臂支撐、單耳、雙耳，3#，4#）的上料和輸送料；⑦裝配裝置2，完成定位環(huán)（腕臂支撐）在鋁管上的定位和安裝；⑧下料裝置，完成腕臂成品的下料輸送；⑨控制系統(tǒng)，完成參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的輸送、加工數(shù)據(jù)的規(guī)劃和生成、運(yùn)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行信息的監(jiān)控顯示。 其示意圖見圖1 所示。

圖1 預(yù)配生產(chǎn)線設(shè)備組成示意圖

1.2 預(yù)配工藝流程

一套腕臂結(jié)構(gòu)一般包含腕臂管（平腕臂、斜腕臂）、承力索座、套管雙耳、腕臂支撐上、套管雙耳下、定位環(huán)、腕臂支撐下等[3]。預(yù)配生產(chǎn)線可預(yù)配鋁合金管材的腕臂（平腕臂、斜腕臂），每次可成套預(yù)配（平斜）或單個(gè)預(yù)配；腕臂裝配工藝流程不是一個(gè)固定流程， 而是依據(jù)每一根腕臂長度、腕臂零件安裝位置和生產(chǎn)線鋁管定位等條件由上位系統(tǒng)計(jì)算生成工藝流程，工藝流程不固定，主要是順序的不固定，不是工序的增加或者減少。 綜合預(yù)配工藝流程見圖2。

圖2 綜合預(yù)配工藝流程示意圖

1.3 組合控制系統(tǒng)

組合控制系統(tǒng)包含上位系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)。 上位系統(tǒng)主要功能為：根據(jù)預(yù)配安裝信息數(shù)據(jù)[4-7]，選擇優(yōu)化算法進(jìn)行套料優(yōu)化，達(dá)到材料利用最大化，減少材料浪費(fèi)，降低成本； 上位系統(tǒng)不但能確保平斜混合規(guī)劃材料利用最大，而且能保證平斜成對(duì)規(guī)劃材料利用最大化。PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)上位控制系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)， 驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備運(yùn)行，并實(shí)時(shí)收集運(yùn)行狀態(tài)自用和與上位系統(tǒng)交互。

1.3.1 PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

PLC 控制系統(tǒng)共驅(qū)動(dòng)32 個(gè)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備的既定功能，由于擰螺栓的扭矩比較重要[8]，故伺服電機(jī)使用扭矩模式控制；AC 伺服驅(qū)動(dòng)器選用安川∑-7系列，機(jī)器控制器選用安川MP3300；作為安川電機(jī)劃時(shí)代的新產(chǎn)品，主要有如下特性[9]：①大幅提高設(shè)計(jì)便利性：無需繁瑣的調(diào)整作業(yè)，大幅縮短啟動(dòng)時(shí)間；②替換簡便，可確保程序和參數(shù)的兼容性；可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行置換，從而輕松提高裝置的性能。 MP3300 作為上位系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)之間的橋梁， 其與各個(gè)AC 伺服驅(qū)動(dòng)器通過MECHATROLINK-3 總線進(jìn)行通信；與上位通過MPScope 進(jìn)行通信，MPScope 可為在電腦上開發(fā)的Windows 應(yīng)用程序提供MP3300 控制器的支持功能。 針對(duì)于工藝繁復(fù)，子功能眾多，在編程過程中采用了變址尋址功能，能較好的加快程序編譯效率和掃描速率，提高程序的層次性、簡潔性，體現(xiàn)程序的結(jié)構(gòu)化特性。 PLC 控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程見圖3。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

1.3.2 上位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

上位系統(tǒng)是基于Visual Studio 2015 C# 編程實(shí)現(xiàn)的window 應(yīng)用軟件，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2014。

在C# 中使用YcsMPScope.dll 實(shí)現(xiàn)MPScope 的連接，從而與MP3300 控制器之間的通信和數(shù)據(jù)的讀取。 其實(shí)現(xiàn)程序如下：

public static string Path = "d：/MP3300.ini"；

static AxMPScope axMPScope = new AxMPScope（）；

axMPScope.CreateControl（）；

axMPScope.ConnectFilePath = mpiniFilePath；

axMPScope.Open（nConnectNo）；

上位與PLC 的數(shù)據(jù)交互機(jī)制為：

（1）PLC 請(qǐng)求傳輸數(shù)據(jù)——上位應(yīng)答請(qǐng)求；

（2）上位發(fā)送數(shù)據(jù)至PLC；

（3）上位傳輸數(shù)據(jù)完成——PLC 應(yīng)答完成；

（4）上位確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸完成（響應(yīng)應(yīng)答）。

每次只傳輸一整根鋁管的數(shù)據(jù)， 且約束每根鋁管最多只能規(guī)劃6 根腕臂；整根鋁管發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表1。

表1 整根鋁管發(fā)送數(shù)據(jù)格式

表1 中，類型定義1-平，2-斜1（3 個(gè)裝配），3-斜2（4個(gè)裝配）；動(dòng)作定義1-噴標(biāo)1（豎線），2-鋸切，3-1# 裝配，4-2# 裝配，5-3# 裝配，6-4# 裝配，7-修磨，8-打孔，9-噴標(biāo)2（正三角），10-噴標(biāo)3（反三角），11-噴標(biāo)4（條形碼或二維碼），12-噴標(biāo)5 （標(biāo)識(shí)碼），13-裝配1#2#再上料 （斜2），14-裝配3#再上料，0-無；噴標(biāo)包含類型和長度。

上位系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)和預(yù)配安裝信息數(shù)據(jù)規(guī)劃出腕臂的加工過程數(shù)據(jù)，時(shí)刻掃描著PLC 的交互信號(hào)，根據(jù)交互機(jī)制和數(shù)據(jù)發(fā)送格式發(fā)送至PLC， 并讀取PLC 返回的加工信息和腕臂過程信息，把具體信息上傳云平臺(tái)使用。上位系統(tǒng)的工作流程如圖4 所示。

圖4 上位系統(tǒng)工作流程圖

2 驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)

某腕臂的預(yù)配安裝信息數(shù)據(jù)如表2（a）所示，經(jīng)過上位系統(tǒng)的規(guī)劃，得到平腕臂的加工過程信息見表2（b）；平腕臂裝配位置示意圖如圖5（a），根據(jù)規(guī)劃的加工過程數(shù)據(jù)，加工出的某平腕臂成品示意圖如5（b）。

表2 腕臂數(shù)據(jù)信息

圖5 腕臂效果示意圖

3 結(jié)論

目前接觸網(wǎng)鋁腕臂的預(yù)配工作大部分由人工完成，部分由半自動(dòng)的設(shè)備完成， 較少有成熟的預(yù)配生產(chǎn)線來完成整體工作，導(dǎo)致腕臂預(yù)配工作效率不高，成本較高。智能化接觸網(wǎng)腕臂預(yù)配生產(chǎn)線可以完成腕臂預(yù)配的整個(gè)過程，其控制系統(tǒng)能優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，規(guī)劃加工工藝過程，體現(xiàn)出較高的智能化和自動(dòng)化水平； 目前該生產(chǎn)線已投入使用，實(shí)踐表明，其裝配精度高，生產(chǎn)效率高，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，為后續(xù)的鋼腕臂的預(yù)配工作提供了借鑒。