基于柔性化泵軸產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王緒晨

（蕪湖哈特機器人產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司，蕪湖 241000）

2015年，全球主要制造業(yè)大國紛紛提出未來制造業(yè)升級戰(zhàn)略，其中包括美國先進制造戰(zhàn)略、德國工業(yè)4.0以及中國制造2025。傳統(tǒng)的制造業(yè)產(chǎn)線升級勢在必行，能夠提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少一線操作人員數(shù)量，實現(xiàn)產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn)。研究柔性化泵軸產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設計，即研究泵軸從原材料進入生產(chǎn)線到制成品入庫的全過程控制系統(tǒng)控制設計與實現(xiàn)。

1 泵軸產(chǎn)線的控制系統(tǒng)組成

柔性化泵軸產(chǎn)線布局圖，如圖1所示。以S7-1200 PLC為主控制系統(tǒng)的泵軸控制系統(tǒng)包括走心機、銑扁機、打磨機、清洗機、CNC機器人、CNC、CNC夾具、打標機、校直機、碼垛機器人、傳輸裝置以及檢測傳感器。

柔性化泵軸產(chǎn)線工藝流程，如圖2所示。泵軸原材料進入走心機，將304不銹鋼棒料按訂單要求切斷，并車削螺紋；加工的半成品流入銑扁機，加工銑扁面；打磨機抓取完成銑扁面加工后的泵軸，打磨銑扁面上的毛刺；泵軸經(jīng)傳送帶流入清洗機，完成泵軸的清洗工序；CNC機器人抓取傳送帶料架的泵軸，放入CNC完成銑扁裝配段精加工；加工后CNC機器人，根據(jù)控制信號放入到轉(zhuǎn)運料架或人工抽檢料架；碼垛機器人的主要任務是抓取轉(zhuǎn)運料架上的泵軸打標，放入校直機中檢測和校直，按照預定程序完成泵軸碼垛。

圖1 柔性化泵軸產(chǎn)線布局圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

泵軸產(chǎn)線系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括走心機、銑扁機、打磨機、清銑機、CNC、CNC夾具、激光打標及泵軸校直機等硬件設備。執(zhí)行機構(gòu)生產(chǎn)訂單由工控機確定。PLC為具體執(zhí)行的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠完成產(chǎn)線系統(tǒng)的控制和產(chǎn)線故障反饋。

2.1 走心機模塊

走心機為成熟的單機系統(tǒng)，其數(shù)控系統(tǒng)為廣州數(shù)控系統(tǒng)，留有外接口。PLC系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議進行信息的實時交互，實現(xiàn)下單和控制。走心機將304不銹鋼軸料初加工，分割成訂單要求的長度，然后進行精車泵軸、精車裝配螺紋以及打軸孔等。

2.2 銑扁機模塊

銑扁機為成熟的單機模塊，其控制系統(tǒng)為三菱PLC系統(tǒng)，利用預留的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)泵軸系統(tǒng)與該設備的通信交互。銑扁機負責加工泵軸兩邊銑扁。銑扁面是泵軸安裝葉輪部分，加工精度要求為Φ14P6。

2.3 打磨機

打磨機屬于產(chǎn)線配套定制設備，采用與產(chǎn)線相同的西門子S7-1200 PLC系列，使用Profinet協(xié)議，減少了系統(tǒng)間的I/O交互，節(jié)約了設計成本。

2.4 CNC機床

CNC機床使用的是斗山機床，信號交換與控制直接使用加工中心預留的TCP/IP協(xié)議，控制CNC開啟加工，并在加工完成后進行反饋、CNC故障顯示等。該部分能夠完成泵軸銑扁面根部加工，加工精度較高。

2.5 CNC夾具

CNC夾具為泵軸產(chǎn)線系統(tǒng)的定制夾具，用于固定加工的泵軸，如圖4所示。夾具的控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC系列，使用Profinet協(xié)議。

圖4 CNC夾具圖

2.6 激光打標機及校直機

激光打標機打標的文字由上位機發(fā)送，通過預留的I/O完成與PLC的交互。校直機采用的三菱PLC控制系統(tǒng)，利用預留的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)泵軸系統(tǒng)與該設備的通信交互，以檢驗生產(chǎn)的泵軸是否符合質(zhì)量要求，并校直不合格的泵軸。

3 控制系統(tǒng)的程序設計

3.1 產(chǎn)線控制

泵軸產(chǎn)線的控制程序使用西門子博圖V15編程軟件串聯(lián)所有單機設備和定制設備的控制系統(tǒng)，控制流程如圖5所示。控制系統(tǒng)程序設計包括輸入輸出I/O分配、通信網(wǎng)絡、工業(yè)智能屏交互界面以及控制系統(tǒng)程序。

3.2 I/O以及交互數(shù)據(jù)數(shù)量

泵軸產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用S7-1200 PLC系列，輸入輸出I/O外接模組拓展方便。泵軸產(chǎn)線主控制系統(tǒng)輸入接口共有222個，輸出接口有168個。泵軸產(chǎn)線主控制系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互共116個字節(jié)

3.3 通信網(wǎng)絡設計

采用S7-1200 PLC控制整個產(chǎn)線生產(chǎn)，采用S7協(xié)議，處理工控機下發(fā)的訂單，實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到工控機?；赟7協(xié)議完成PLC和觸摸屏顯示界面的交互操作?；赥CP/IP協(xié)議采集走線機、銑扁機、CNC和校直機的相關設備數(shù)據(jù)，使用設備預留的I/O信號實現(xiàn)銑扁機的自動化生產(chǎn)控制。ABB機器人提供Profinet協(xié)議，而數(shù)控夾具和打磨機使用S7-1200 PLC，采用Profinet協(xié)議，方便數(shù)據(jù)傳輸和減少I/O控制。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.4 工業(yè)智能屏交互界面設計

如圖7所示，泵軸產(chǎn)線系統(tǒng)采用HMI觸摸屏作為輸入設備。交互主界面包括I/O監(jiān)控、生產(chǎn)參數(shù)、報警記錄以及權限登錄。I/O監(jiān)控用于檢視各個輸入輸出點的狀態(tài)值。生產(chǎn)信息包括生產(chǎn)的泵軸標識字段、泵軸總長L1、螺紋段長度L2、銑扁面長度L2-1、CNC銑扁面長度L3、軸臺階長度L4、光軸段長度。報警記錄能夠記錄系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的報警信息。權限登錄可以獲得更多的操作功能。

圖5 泵軸產(chǎn)線生產(chǎn)流程圖

圖6 泵軸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

圖7 智能交互界面

4 主控程序設計

第一，PLC收到上位機的訂單信息，確認產(chǎn)線全部準備就緒后，通過TCP/IP協(xié)議調(diào)用走心機和銑扁機泵軸加工程序。第二，雙限位傳感器檢測到判斷出輸出泵軸的長度數(shù)據(jù)。雙限位檢測能夠確保設備獲取的實時泵軸長度的準確性，提高設備實際執(zhí)行的安全性，以防止非規(guī)定訂單的軸混入。打磨機給出相應的加工策略，完成泵軸的打磨。第三，ABB機器人也采用雙限位，判讀出抓取的軸長度，從而調(diào)用機器人對應的抓取策略。第四，CNC夾具運動到泵軸加工等待位，泵軸放入到CNC夾具，機器人退到安全位置，CNC收到可以加工信號，開啟加工程序。第五，完成CNC銑扁面加工，機器人取出泵軸，放入周轉(zhuǎn)臺等到矯直機機器人取軸。矯直機器人將泵軸放入打標機內(nèi)打標，待打標結(jié)束，放入矯直機中矯直。第六，總控PCL使用TCP/IP協(xié)議完成對矯直機支持程序的調(diào)取和矯直過程的數(shù)據(jù)傳輸。第七，矯直機機器人根據(jù)總控給出信號，將檢測矯直合格的泵軸放入周轉(zhuǎn)料框，不合格的放入回收料框等待周轉(zhuǎn)料框放滿后由AGV小車將周轉(zhuǎn)料框拉入倉庫。第八，總控PLC會將實時加工數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機會將這些生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)ERP系統(tǒng)?？偪夭糠諴LC如圖8所示。

圖8 總控部分PLC程序結(jié)構(gòu)

5 泵軸產(chǎn)線總控實踐

泵軸產(chǎn)線主控系統(tǒng)控制單機設備多且雜，如走心機、銑扁機、打磨機、清銑機、工業(yè)機器人、CNC、CNC夾具、激光打標以及泵軸校直機等，給產(chǎn)線運行維護帶來了巨大壓力。通過長時間測試、投產(chǎn)運行和不斷優(yōu)化控制程序，設備能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，保證了泵軸生產(chǎn)的質(zhì)量。柔性化泵軸產(chǎn)線生產(chǎn)如圖9所示，完成全部流程碼垛如圖10所示。實際生產(chǎn)測試中，泵軸長度≤800 mm時，60 s生產(chǎn)一根泵軸；泵軸長度＞800 mm時，一根泵軸的生產(chǎn)時間小于80 s?？梢?，它能夠達到設計要求，保證泵軸生產(chǎn)效率為每天1 000根。

圖9 泵軸產(chǎn)線

圖10 機器人碼垛

6 結(jié)語

柔性化泵軸產(chǎn)線能夠完成124～1 090 mm泵軸柔性化生產(chǎn)，泵軸長度跨度達966 mm，滿足242種型號的泵軸生產(chǎn)，實現(xiàn)了泵軸柔性化生產(chǎn)目標。傳統(tǒng)機械加工企業(yè)轉(zhuǎn)型為智能制造企業(yè)，實現(xiàn)了產(chǎn)線的無人化，降低了企業(yè)用人成本，提升了企業(yè)智能化水平和產(chǎn)品制造競爭力。