航空件柔性加工單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/ 韓 梁 舒 送 鐘 靖 宋詩(shī)軍（.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠.成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司）

柔性加工單元是由CNC 設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)器人等組成，能夠根據(jù)制造任務(wù)和生產(chǎn)品種的變化而迅速進(jìn)行調(diào)整的自動(dòng)化制造系統(tǒng)[1]。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)促使制造業(yè)需要提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和保障交貨期，以剛性自動(dòng)化為基礎(chǔ)的制造系統(tǒng)不能滿(mǎn)足多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需求[1-2]。目前航空修理企業(yè)機(jī)加現(xiàn)場(chǎng)仍然采用傳統(tǒng)的人工方式為數(shù)控機(jī)床上下料，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力資源成本高，已經(jīng)越來(lái)越難以滿(mǎn)足小批量、多品種的生產(chǎn)模式需求[3-4]。

本文從滿(mǎn)足小批量、多品種零件的生產(chǎn)節(jié)奏需求出發(fā)，通過(guò)上位機(jī)軟件（總控系統(tǒng)）、工控PLC 對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)、HMI（Human Machine Interface）、氣動(dòng)元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了柔性加工單元的智能化控制，進(jìn)一步提高了零件的生產(chǎn)效率，保證了零件質(zhì)量一致性。

一、柔性加工單元系統(tǒng)組成

1.單元結(jié)構(gòu)布局

系統(tǒng)將程序傳送至機(jī)床，人工將零件裝夾至夾具及托盤(pán)上，并由AGV 將零件組合體運(yùn)送至加工單元的二次定位裝置上，經(jīng)過(guò)二次精確定位后，由機(jī)器人將零件組合體抓取并放至機(jī)床工作臺(tái)的零點(diǎn)定位系統(tǒng)上，通過(guò)單元控制系統(tǒng)調(diào)用機(jī)床的對(duì)刀程序及加工程序，完成零件的加工。系統(tǒng)總體布局如圖1 所示。

圖1 加工單元布局示意圖

2.單元控制系統(tǒng)組成

單元控制系統(tǒng)由上位機(jī)軟件（總控系統(tǒng)）、工控PLC、機(jī)器人控制系統(tǒng)、HMI、氣動(dòng)元件、按鈕以及指示燈等組成。上位機(jī)軟件主要用于單元生產(chǎn)任務(wù)的管理以及與MES 系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、PLC 軟件進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)處理以及與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互。工控PLC 是工控機(jī)軟件PLC，主要用于單元內(nèi)邏輯信號(hào)處理和機(jī)器人動(dòng)作邏輯控制。機(jī)器人控制系統(tǒng)主要用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)上下料。HMI用于顯示單元內(nèi)機(jī)器人、機(jī)床等狀態(tài)以及手動(dòng)控制二次定位裝置、機(jī)器人快換模塊張開(kāi)夾緊、機(jī)床側(cè)門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉等。單元控制系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 單元控制系統(tǒng)組成示意圖

二、系統(tǒng)工作流程

柔性加工單元接收MES 系統(tǒng)任務(wù)，通過(guò)總控系統(tǒng)進(jìn)行單元管理，完成AGV 的自動(dòng)物流、機(jī)器人的自動(dòng)上下料、機(jī)床自動(dòng)調(diào)用程序加工等。其工作流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

柔性加工單元通過(guò)總控系統(tǒng)與車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行通信，接收MES 的生產(chǎn)任務(wù)，并以列表方式展示；操作者選擇生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行開(kāi)工，同時(shí)將毛坯裝夾至夾具，夾具裝至托盤(pán)上形成零件組合體，系統(tǒng)讀取托盤(pán)上RFID 信息，并與生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行綁定；總控系統(tǒng)生成物流任務(wù)，AGV 將零件組合體運(yùn)輸至單元內(nèi)二次定位裝置，通過(guò)傳感器檢測(cè)到位后，機(jī)器人抓取零件組合體并讀取RFID 信息，然后與系統(tǒng)當(dāng)前開(kāi)工的進(jìn)行信息確認(rèn)，根據(jù)RFID 綁定的信息獲取到該零件的對(duì)刀程序號(hào)和加工程序號(hào)；機(jī)器人在確認(rèn)信息一致情況下將零件組合體放至零點(diǎn)定位系統(tǒng)并拉緊托盤(pán)，機(jī)器人退出后與機(jī)床通信，將對(duì)刀程序號(hào)和加工程序號(hào)傳輸給機(jī)床；機(jī)床完成對(duì)刀和零件加工，加工完畢后機(jī)器人取出零件組合體并放至二次定位裝置，AGV 將零件組合體送至鉗工裝夾臺(tái)，人工去毛刺后，由AGV 送至檢驗(yàn)。

三、電氣控制設(shè)計(jì)

1.PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)PLC 輸入輸出地址分配。選擇倍福嵌入式工控機(jī)作為PLC 控制系統(tǒng)核心硬件，其帶有Windows 系統(tǒng)平臺(tái)和軟件PLC 功能，通過(guò)軟件PLC 編程，可實(shí)現(xiàn)普通硬件PLC 功能，完成單元內(nèi)IO 信號(hào)處理和邏輯控制。通過(guò)C#軟件編程既可以與機(jī)床通信，采集機(jī)床狀態(tài)以及自動(dòng)加載數(shù)控程序，又可以與總控系統(tǒng)通信，接收加工任務(wù)、程序號(hào)及RFID 托盤(pán)數(shù)據(jù)。與普通PLC 相比，此種方式的核心優(yōu)勢(shì)在于可以與總控系統(tǒng)通信接收不同任務(wù)和加工程序號(hào)，并與機(jī)床通信完成加載程序，實(shí)現(xiàn)柔性加工功能，而普通PLC 則無(wú)法與機(jī)床通信并進(jìn)行程序加載。

(2)PLC 程序設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目中，PLC 程序主要用于進(jìn)行單元內(nèi)系統(tǒng)邏輯控制，通過(guò)讀取按鈕、傳感器、HMI輸出信號(hào)以及接收物流系統(tǒng)AGV 到達(dá)信號(hào)等，并結(jié)合整個(gè)單元工作流程對(duì)機(jī)器人、電磁閥、指示燈等進(jìn)行控制。PLC 程序包含手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，手動(dòng)控制模式為通過(guò)讀取HMI 操作信息，實(shí)現(xiàn)二次定位裝置氣動(dòng)元件單點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上料、下料及復(fù)位控制。自動(dòng)控制模式為通過(guò)接收物流系統(tǒng)AGV 到達(dá)信號(hào)，將二次定位、抓取托盤(pán)、上下料、機(jī)床加載程序、呼叫AGV 等流程串聯(lián)并自動(dòng)運(yùn)行。PLC 程序框架如圖4 所示。

2.機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制程序主要用于控制機(jī)器人動(dòng)作軌跡，完成機(jī)器人抓取托盤(pán)并給機(jī)床上下料的功能。機(jī)器人采用KUKA 六軸關(guān)節(jié)式，可以通過(guò)手動(dòng)示教的方式標(biāo)定運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并且通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PTP）、線性（LIN）、圓周（CICR）以及樣條運(yùn)動(dòng)等方式。本項(xiàng)目將機(jī)器人控制程序模塊化設(shè)計(jì)，分為二次定位程序、上料程序、下料程序、RFID 不一致報(bào)警程序。

3.HMI 設(shè)計(jì)

HMI 主要用于對(duì)單元內(nèi)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制以及狀態(tài)監(jiān)控。手動(dòng)控制部分功能包括零點(diǎn)定位系統(tǒng)夾緊松開(kāi)，機(jī)器人快換夾緊張開(kāi)，機(jī)床側(cè)門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉，二次定位打開(kāi)關(guān)閉，機(jī)器人吹氣以及機(jī)器人開(kāi)始下料。狀態(tài)監(jiān)控功能包括機(jī)床正門(mén)側(cè)門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)，二次定位限位狀態(tài)，零點(diǎn)定位系統(tǒng)狀態(tài)，上料位傳感器狀態(tài)，機(jī)器人急停狀態(tài)，單元內(nèi)報(bào)警狀態(tài)等。

四、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目上位機(jī)軟件名為總控系統(tǒng)，采用C#編程，包括向MES 系統(tǒng)接收及反饋生產(chǎn)任務(wù)信息，向制造單元下發(fā)生產(chǎn)任務(wù)、RFID 信息、物流AGV 到位信息等以及本單元內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、維護(hù)及展示?？偪叵到y(tǒng)主要包含基礎(chǔ)資料管理模塊、業(yè)務(wù)辦理模塊、綜合查詢(xún)模塊、系統(tǒng)管理模塊。其中系統(tǒng)管理模塊主要用于組織機(jī)構(gòu)管理、角色及權(quán)限管理、系統(tǒng)功能管理以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出管理；基礎(chǔ)資料管理模塊包含工步基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理以及物流節(jié)點(diǎn)配置；業(yè)務(wù)辦理模塊主要實(shí)現(xiàn)加工程序核對(duì)、生產(chǎn)任務(wù)管理以及生產(chǎn)任務(wù)維護(hù)功能；綜合查詢(xún)模塊主要包含任務(wù)綜合查詢(xún)、物流信息查詢(xún)、任務(wù)圖表統(tǒng)計(jì)以及單元消息日志等功能?？偪叵到y(tǒng)主界面如圖5 所示。

圖4 PLC 程序框架圖

五、結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了航空件柔性加工單元控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)工作流程、電氣動(dòng)控制回路，并對(duì)PLC 控制軟件、機(jī)器人程序、HMI 及上位機(jī)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，達(dá)到了單元內(nèi)機(jī)器人自動(dòng)上下料的控制，并且實(shí)現(xiàn)了單元與MES 系統(tǒng)接收并反饋生產(chǎn)任務(wù)，與物流系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了托盤(pán)運(yùn)輸自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了航空維修企業(yè)中角盒類(lèi)零件以及法蘭類(lèi)零件的柔性加工，減少了人員配置，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足航修企業(yè)小批量、多品種的柔性加工需求。

圖5 總控系統(tǒng)主界面示意圖