基于SIEMENS840D桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

武因培,張 然,倪順利

（飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司,安徽馬鞍山 243000）

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

為適應(yīng)智能制造時(shí)代背景，改進(jìn)目前落后的成品車輪運(yùn)輸方式，完善高速車輪的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，馬鋼車輪公司投資建設(shè)了兩條全自動(dòng)車輪檢測(cè)線。致力打造具有國(guó)際一流水平的車輪生產(chǎn)基地。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)配置方案

每個(gè)機(jī)械手配備一套SINUMERIK 840D SL 系統(tǒng)，軸驅(qū)動(dòng)采用SINAMICS S120，整個(gè)桁架邏輯控制采用SIMATIC S7-400 控制，將數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)控制器、自動(dòng)化系統(tǒng)集成到一體，構(gòu)成一套完整的桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)解決方案，具體硬件配置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。

2.2 單套機(jī)械手系統(tǒng)配置

2.2.1 SIMATIC S7-400

SIMATIC S7-400 是 SIMATIC 控制器家族中功能最為強(qiáng)大的PLC。它可以成功實(shí)現(xiàn)全集成自動(dòng)化(TIA) 解決方案。在桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)中，SIMATIC S7-400擔(dān)任著中央處理器的作用，具體功能如下：

(1)車輪搬運(yùn)任務(wù)的下發(fā)。

(2)與檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)交互。

(3)檢測(cè)工位的坐標(biāo)計(jì)算。

(4)跟蹤信息的處理和上報(bào)。

(5)與每個(gè)機(jī)械手的840D 數(shù)控系統(tǒng)的啟?？刂坪蛿?shù)據(jù)通訊（包括軸坐標(biāo)、傳感器信號(hào)、機(jī)械手狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息）。

(6)上料位的解垛和下料位的堆垛控制。

2.2.2 SINUMERIK NCU 720.3B PN

SINUMERIK NCU 720.3B PN 代表了 SINUMERIK 840D SL 系列的中等配置等級(jí)。SINUMERIK 840D SL 將CNC、PLC、HMI、驅(qū)動(dòng)控制和通訊任務(wù)都集中在了一個(gè) NCU(Numerical Control Unit) 上。在桁架機(jī)械手系統(tǒng)中，SINUMERIK NCU擔(dān)任任務(wù)的執(zhí)行方。機(jī)械手的路徑控制程序存儲(chǔ)在NCU 中，機(jī)械手接收到上級(jí)PLC 下發(fā)的車輪取放任務(wù)后，機(jī)械手根據(jù)NCU 中的路徑程序和接收的工位坐標(biāo)信息執(zhí)行動(dòng)作。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2.3 SINAMICS S120

三個(gè)單軸驅(qū)動(dòng)模塊分別控制機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)、夾緊放松運(yùn)動(dòng)，一個(gè)雙軸驅(qū)動(dòng)模塊同步控制機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸的驅(qū)動(dòng)均采用SINAMICS S120+1FT7 伺服電機(jī)組合，1FT 電機(jī)是尺寸緊湊的永磁同步電機(jī)，內(nèi)置編碼器，與SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)DRIVE-CLiQ 接口連接使用，可以滿足動(dòng)態(tài)性能、轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍、旋轉(zhuǎn)和定位精度等方面的最高要求。

2.2.4 SINUMERIK PCU 50.5-C

OP 采用SINUMERIK PCU 50.5-C ：Windows 7 ProEmbSys 操作系統(tǒng)，利用Ghost 數(shù)據(jù)備份軟件備份、恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.2.5 IO模塊及通訊模塊

ET200S 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離I/O 的輸入，降低了布線成本。在機(jī)械手之間以及機(jī)械手與檢測(cè)設(shè)備之間使用DP Coupler 進(jìn)行通信，將所有ProfiBus 網(wǎng)絡(luò)連接到一起，將整條線組合為一個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使整線底層自由交互得以實(shí)現(xiàn)。

3 主要功能介紹

整條車輪檢測(cè)線長(zhǎng)度60 m，共有18 個(gè)工位，4臺(tái)機(jī)械手共用整個(gè)桁架，每個(gè)機(jī)械手負(fù)責(zé)一段，通過(guò)防撞保護(hù)以確保安全。每個(gè)機(jī)械手有5 個(gè)軸，分別負(fù)責(zé)水平運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)、夾緊放松及旋轉(zhuǎn),見(jiàn)表1。通過(guò)控制桁架機(jī)械手的軸運(yùn)動(dòng)以及桁架機(jī)械手之間的配合來(lái)搬運(yùn)車輪檢測(cè)線各工序之間的待檢測(cè)車輪，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，在線優(yōu)化各機(jī)械手的搬運(yùn)路徑。系統(tǒng)核對(duì)并確認(rèn)各車輪的跟蹤信息，讀取各檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，生成檢測(cè)信息上報(bào)至二級(jí)服務(wù)器。使車輪檢測(cè)線在無(wú)人干預(yù)的情況下高效率、滿負(fù)荷自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 跟蹤系統(tǒng)

待檢測(cè)車輪進(jìn)入檢測(cè)線上料位后，MES 系統(tǒng)接收上級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)計(jì)劃（包含調(diào)度號(hào)，數(shù)量，起始號(hào)，鋼種等信息）后，為每個(gè)車輪生成以ISN 號(hào)為關(guān)鍵字的一條記錄。MES 系統(tǒng)將本批次的部分信息下發(fā)到桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)。當(dāng)車輪進(jìn)入檢測(cè)線后，桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)生成ISN 號(hào)，并同該車輪的軋件ID匹配，并將匹配結(jié)果上報(bào)MES系統(tǒng)。桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)以ISN 號(hào)作標(biāo)識(shí)全程跟蹤車輪的位置。MES 系統(tǒng)管理作業(yè)計(jì)劃的狀態(tài)（下發(fā)，開(kāi)始，中止，完成等）和每個(gè)檢測(cè)車輪的狀態(tài)，流程見(jiàn)圖2。

圖2 跟蹤系統(tǒng)流程圖

3.2 搬運(yùn)系統(tǒng)與信號(hào)交互

桁架機(jī)械手空閑且狀態(tài)正常時(shí)，檢測(cè)線設(shè)備發(fā)出上料請(qǐng)求信號(hào)，桁架機(jī)械手響應(yīng)請(qǐng)求抓取車輪給設(shè)備上料并且發(fā)出正在上料狀態(tài)信號(hào)，上料完成后，檢測(cè)設(shè)備的上料請(qǐng)求信號(hào)復(fù)位，機(jī)械手運(yùn)行至安全區(qū)域響應(yīng)其他檢測(cè)設(shè)備的上下料請(qǐng)求。檢測(cè)設(shè)備完成車輪檢測(cè)后會(huì)把檢測(cè)信息上報(bào)至服務(wù)器，然后發(fā)出下料請(qǐng)求。根據(jù)設(shè)備信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，機(jī)械手會(huì)按順序響應(yīng)檢測(cè)設(shè)備的請(qǐng)求。檢測(cè)線上的18個(gè)設(shè)備工位分配給4個(gè)桁架機(jī)械手分別管理，1號(hào)機(jī)械手和2 號(hào)機(jī)械手的銜接設(shè)備的上料請(qǐng)求由1 號(hào)機(jī)械手響應(yīng)，下料請(qǐng)求由2 號(hào)機(jī)械手響應(yīng)。其他的機(jī)械手與此類似，在全線18個(gè)檢測(cè)設(shè)備上交替運(yùn)轉(zhuǎn)車輪，機(jī)械手根據(jù)由上級(jí)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果最終將車輪搬運(yùn)至合格位、廢品位或返修位。

3.3 目標(biāo)工位坐標(biāo)計(jì)算

當(dāng)桁架機(jī)械手抓取車輪時(shí)，上級(jí)PLC 會(huì)把機(jī)械手的坐標(biāo)下發(fā)給840DSL。傳統(tǒng)的控制方案是把每次檢測(cè)新輪型時(shí)，手動(dòng)將當(dāng)前輪型搬運(yùn)至工位后再將位置坐標(biāo)示教記錄至數(shù)據(jù)庫(kù)中，但是整條檢測(cè)線工位較多，而且有4個(gè)機(jī)械手，每次示教的時(shí)間需要幾個(gè)小時(shí)。對(duì)于視生產(chǎn)時(shí)間為經(jīng)濟(jì)效益的企業(yè)來(lái)說(shuō)，這個(gè)方案顯然不可取。

為了使整條檢測(cè)線更加智能化，工位坐標(biāo)采取了自動(dòng)計(jì)算的方案。具體方案是：首先用一種輪型在每個(gè)工位上示教后將坐標(biāo)記錄下來(lái)，再根據(jù)當(dāng)前輪型的尺寸參數(shù)以及和各個(gè)工位的接觸位置，反推計(jì)算出各個(gè)工位的相對(duì)基準(zhǔn)值。則實(shí)際工位的坐標(biāo)公式為：

式中，X 和Z 分別為機(jī)械手橫軸和縱軸的目標(biāo)，坐標(biāo)值，Xbasic和Zbasic分別為橫軸和縱軸的基準(zhǔn)值，Xcount和Zcount分別為橫軸和縱軸的坐標(biāo)計(jì)算值，ΔX和ΔZ 分別為橫軸和縱軸的坐標(biāo)修正值。車輪尺寸見(jiàn)圖3。計(jì)算值是根據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的車輪參數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。

圖3 車輪尺寸參數(shù)示意圖

采用了工位坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算方案，上級(jí)PLC 根據(jù)工位的基準(zhǔn)位置和車輪的尺寸參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)工位的坐標(biāo)后，再把坐標(biāo)值發(fā)送給840DSL，機(jī)械手就會(huì)根據(jù)坐標(biāo)自動(dòng)裝載或卸載車輪。

3.4 夾爪V軸目標(biāo)位自動(dòng)計(jì)算與力矩控制

機(jī)械手夾爪V 軸目標(biāo)位是一個(gè)非常重要的參數(shù)，夾爪V 軸目標(biāo)位不準(zhǔn)會(huì)造成車輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中掉落或是機(jī)械手本體設(shè)備的損壞。為了保證機(jī)械手夾取車輪的過(guò)程中安全穩(wěn)定，V 軸的目標(biāo)位采用自動(dòng)計(jì)算和力矩控制雙重保護(hù)。夾爪V 軸的坐標(biāo)公式為：

式中，V 為機(jī)械手夾緊軸的目標(biāo)坐標(biāo)值，D 和K分別為圖3中當(dāng)前車輪D參數(shù)和K參數(shù)，W 為圖1中機(jī)械手夾爪寬度。

桁架機(jī)械手夾緊軸抓取車輪時(shí)，系統(tǒng)首先根據(jù)車輪尺寸參數(shù)計(jì)算出V 軸坐標(biāo)，夾爪收縮至計(jì)算坐標(biāo)，此時(shí)機(jī)械手的已經(jīng)將輪緣卡住，繼續(xù)往里夾同時(shí)開(kāi)啟840DSL 的力矩監(jiān)控，當(dāng)力矩到達(dá)目標(biāo)力矩時(shí)，機(jī)械手完成車輪抓取。力矩監(jiān)控核心代碼：

N100 FXS[V]=1 FA[V]=500 POS[V]=CLP_V_POS-10 FXSW[V]=100 FXST[V]=7；打開(kāi)力矩監(jiān)控，V 軸繼續(xù)往里夾，當(dāng)V 軸夾緊力矩為最大驅(qū)動(dòng)力矩的7%，停止。

3.5 NC程序中的路徑控制核心程序

4 結(jié)束語(yǔ)

車輪檢測(cè)線桁架機(jī)械手系統(tǒng)于2019 年1 月正式投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定且故障率低。在運(yùn)行過(guò)程中，我們根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化，提高檢測(cè)線的生產(chǎn)節(jié)奏，保證了整條檢測(cè)線滿負(fù)荷自動(dòng)運(yùn)行。