桁架式全自動(dòng)生產(chǎn)線的智能化設(shè)計(jì)

王龍昌，王立偉，丁希波

（濱州渤?；钊邢薰?，山東濱州 256602）

0 引言

目前市場(chǎng)上有多種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料的方式，例如工業(yè)機(jī)器人、“一個(gè)流”式生產(chǎn)線、桁架機(jī)械手等。其中，工業(yè)機(jī)器人因手臂的跨度范圍小，只能服務(wù)有限的幾臺(tái)機(jī)加工設(shè)備，若要服務(wù)更多的設(shè)備，則需要增加地軌或者桁架來輔助機(jī)器人移動(dòng)，從而導(dǎo)致成本的上升；“一個(gè)流”式生產(chǎn)線上的各工序只能有一個(gè)工件在流轉(zhuǎn)，但生產(chǎn)線上各工序之間的加工節(jié)拍差距太大，使用“一個(gè)流”式生產(chǎn)線無法實(shí)現(xiàn)加工節(jié)拍的最優(yōu)化；桁架機(jī)械手的跨度范圍大，能夠輕松的服務(wù)多臺(tái)設(shè)備，能夠方便的修改服務(wù)順序，是目前最適合活塞生產(chǎn)線的自動(dòng)化方案。將從機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制方案、安全機(jī)制3 方面來講述本次設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的桁架線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示：桁架式機(jī)械手由水平軸X 軸和豎直軸Z 軸2 個(gè)軸組成。桁架線的控制技術(shù)指標(biāo)：X 軸最大運(yùn)行速度為150 m/min，最大加速度2.5 m/s2，機(jī)械手重復(fù)定位精度±0.1 mm。Z 軸最大運(yùn)行速度為110 m/min，最大加速度2 m/s2，機(jī)械手重復(fù)定位精度±0.1 mm。Z 軸負(fù)載75 kg，含豎梁、氣爪、連接板、電機(jī)、減速機(jī)及兩個(gè)工件的重量。

圖1 桁架線結(jié)構(gòu)示意

桁架機(jī)械手設(shè)有5 個(gè)氣缸來實(shí)現(xiàn)換料動(dòng)作，分別是裝載爪氣缸、卸載爪氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、插銷機(jī)構(gòu)伸縮氣缸和插銷機(jī)構(gòu)夾松氣缸。氣缸動(dòng)作時(shí)，必然需要位置檢測(cè)，本次桁架機(jī)械手是通過磁性開關(guān)來實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。每個(gè)工序間設(shè)有一個(gè)翻轉(zhuǎn)臺(tái)，當(dāng)前、后兩道工序的設(shè)備裝夾姿態(tài)不同時(shí)，用以變換工件姿態(tài)。

2 電氣控制方案

控制方案規(guī)劃階段，為了實(shí)現(xiàn)整條桁架線的智能化控制，需要選擇一個(gè)開放性比較強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)源代碼編程的控制系統(tǒng)。經(jīng)過反復(fù)對(duì)比，最終選定了貝加萊數(shù)控系統(tǒng)。貝加萊數(shù)控系統(tǒng)提供一個(gè)基于源代碼的開放性平臺(tái)，通過PLC 和NC 相結(jié)合的方式，可以輕松實(shí)現(xiàn)上述功能。貝加萊控制系統(tǒng)擁有高度的可擴(kuò)展性，可以使用一個(gè)平臺(tái)覆蓋所有的需求，從最小的控制器一直到CNC、機(jī)器人技術(shù)和過程控制應(yīng)用。此外，該平臺(tái)還可以進(jìn)行編程和配置，無論使用何種硬件，都可以通過Automation Studio 實(shí)現(xiàn)。這種兼容性不僅降低了開發(fā)成本，而且還確保了機(jī)器在整個(gè)生命周期中的投資安全性。

由于機(jī)加工設(shè)備種類多種多樣，加工節(jié)拍長(zhǎng)短不一，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械手在加工節(jié)拍長(zhǎng)的設(shè)備上方長(zhǎng)時(shí)間等待的情況。為了避免這樣的情況發(fā)生，在機(jī)加工設(shè)備的數(shù)量上做了優(yōu)化：加工節(jié)拍長(zhǎng)的機(jī)加工設(shè)備配置兩臺(tái)甚至更多，加工節(jié)拍短的機(jī)加工設(shè)備只配置一臺(tái)。這時(shí)出現(xiàn)多臺(tái)機(jī)加工設(shè)備加工同一個(gè)工序的情況，把這種情況叫做“并序”；當(dāng)所有的機(jī)加工設(shè)備的加工節(jié)拍都比較長(zhǎng)時(shí)，一個(gè)機(jī)械手完全有能力服務(wù)兩個(gè)甚至更多的工序，把這種情況叫做“順序”。每一個(gè)機(jī)械手所服務(wù)的設(shè)備都有可能出現(xiàn)“并序”或者“順序”或者兩者都有的情況，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的程序時(shí)，規(guī)定每個(gè)機(jī)械手最多可服務(wù)3 個(gè)“順序”工序，分別標(biāo)識(shí)為A 序、B 序和C 序；每個(gè)“順序”的工序最多包含4 臺(tái)“并序”的設(shè)備，分別標(biāo)識(shí)為1、2、3、4；所以每個(gè)機(jī)械手最多可服務(wù)12 臺(tái)設(shè)備，即A1-A4、B1-B4、C1-C4。這樣做帶來的新的問題是，這12 臺(tái)設(shè)備不是全部配置的，需要在人機(jī)界面上做選擇框，來選擇這12 臺(tái)設(shè)備需要啟用哪幾臺(tái)，啟用的這幾臺(tái)設(shè)備之間是“并序”關(guān)系還是“順序”關(guān)系。“并序”關(guān)系的機(jī)床換料過程完全一致，只是換料時(shí)的機(jī)械手的坐標(biāo)不同，因而只需要做一套NC 程序，將需要換料的機(jī)床的換料坐標(biāo)由PLC 傳遞給NC 即可。這些復(fù)雜的邏輯難以通過普通的CNC 實(shí)現(xiàn)，但是可以通過貝加萊的源代碼編程輕松解決。

為了節(jié)約控制成本，本次設(shè)計(jì)采用雙通道控制，兩個(gè)機(jī)械手共用一個(gè)CPU。同時(shí)，整條桁架線所有的CPU 均通過Ethernet連接，從而實(shí)現(xiàn)了整條桁架線的數(shù)據(jù)采集，并可以連接ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)和MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）系統(tǒng)，響應(yīng)“中國(guó)制造2025”。

根據(jù)控制方案，CPU 需要與每臺(tái)機(jī)床進(jìn)行信號(hào)交互、控制機(jī)械手爪的動(dòng)作、與前后料道進(jìn)行信號(hào)交互，這些控制點(diǎn)都比較分散，直接采用信號(hào)線進(jìn)行交互的話，不僅控制成本增加，而且故障率高、不易維修。經(jīng)研究，決定采用貝加萊遠(yuǎn)程I/O 模塊，具體配置如下：

（1）每臺(tái)機(jī)加工設(shè)備里放置1 個(gè)遠(yuǎn)程I/O 通信模塊，并配置8 點(diǎn)的DI 輸入模塊和8 點(diǎn)的DO 輸出模塊各1 塊，用以CPU 與機(jī)床的信號(hào)交互。

（2）每個(gè)料道放置1 個(gè)遠(yuǎn)程I/O 通信模塊，同樣配置8 點(diǎn)的DI 輸入模塊和8 點(diǎn)的DO 輸出模塊各1 塊。

（3）每個(gè)機(jī)械手爪配置1 個(gè)遠(yuǎn)程I/O 通信模塊，并配置3 塊8 點(diǎn)的DI 輸入模塊和2 塊8 點(diǎn)的DO 模塊，用以控制機(jī)械手爪的動(dòng)作。

每個(gè)遠(yuǎn)程IO 通信模塊都有特定的站地址，對(duì)應(yīng)不同的硬件地址。在調(diào)試初期，做好站地址的劃分：兩個(gè)機(jī)械手的遠(yuǎn)程I/O通信模塊的站地址是3 和4，上下料料道的遠(yuǎn)程I/O 通信模塊站地址是5 和6，第一個(gè)機(jī)械手所對(duì)應(yīng)的12 臺(tái)機(jī)床的站地址是7～18，第二個(gè)機(jī)械手所對(duì)應(yīng)的的12 臺(tái)機(jī)床的站地址是19～30。當(dāng)機(jī)床的加工順序改變時(shí)，只需改變遠(yuǎn)程/IO 通信模塊的站地址及人機(jī)界面的工序選擇即可。例如，第一個(gè)機(jī)械手服務(wù)兩臺(tái)并序的設(shè)備，分別是A1 和A2，對(duì)應(yīng)的站地址分別是7 和8，由于工藝的變更，這2 臺(tái)設(shè)備需要順序執(zhí)行，即改變?yōu)锳1 和B1，對(duì)應(yīng)的站地址分別是7 和11，就把第二臺(tái)機(jī)床的遠(yuǎn)程通信模塊的站地址由8 改為11，再把人機(jī)界面上的A2 去掉，勾選B1 即可。

3 安全機(jī)制

3.1 安全區(qū)域

桁架機(jī)械手因結(jié)構(gòu)的原因，必須設(shè)置X 軸和Z 軸的安全區(qū)域，用以保證桁架機(jī)械手不會(huì)與機(jī)床、料道間產(chǎn)生碰撞。每臺(tái)設(shè)備頂部都設(shè)有天窗，機(jī)械手僅能通過天窗進(jìn)入機(jī)床內(nèi)部進(jìn)行換料，極易與天窗產(chǎn)生碰撞，同時(shí)因空間有限，機(jī)械手也容易與上、下料料道發(fā)生碰撞。為此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手PLC 程序的時(shí)候，增加了“安全區(qū)域”的功能，具體做法如下：

在機(jī)械手的人機(jī)界面上，根據(jù)機(jī)床和上、下料料道的數(shù)量，設(shè)置相應(yīng)個(gè)數(shù)的“X 軸安全區(qū)間”，每個(gè)“X 軸安全區(qū)間”由“起始點(diǎn)”和“結(jié)束點(diǎn)”組成。操作者移動(dòng)機(jī)械手，記錄機(jī)械手處于機(jī)床的天窗區(qū)域或者上下料料道的托盤區(qū)域時(shí)的X 軸坐標(biāo)值，并將這些坐標(biāo)值填入對(duì)應(yīng)的“起始點(diǎn)”和“結(jié)束點(diǎn)”輸入框內(nèi)。同時(shí)，在機(jī)械手的人機(jī)界面上設(shè)置一個(gè)“Z 軸安全位置”，對(duì)應(yīng)機(jī)械手處于機(jī)床上方時(shí)的Z 軸坐標(biāo)。

機(jī)械手的“X 軸安全區(qū)間”和“Z 軸安全位置”設(shè)定完成后，由以下3 種情況來防碰撞：

（1）機(jī)械手的Z 軸在“Z 軸安全位置”以上時(shí)，X 軸可以任意移動(dòng)。

（2）機(jī)械手Z 軸向下移動(dòng)至“Z 軸安全位置”時(shí)，若X 軸處于任意一個(gè)“X 軸安全區(qū)間”內(nèi)，則Z 軸可以繼續(xù)向下移動(dòng)，若X軸不處于任何“X 軸安全區(qū)間”，機(jī)械手報(bào)警并停止軸的運(yùn)動(dòng)，且Z 軸只能手動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，直至報(bào)警消除。

（3）機(jī)械手Z 軸處于“Z 軸安全位置”以下，且X 軸處于任意一個(gè)“X 軸安全區(qū)間”內(nèi)時(shí)，X 軸可以移動(dòng)，但要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)X 軸是否超出“X 軸安全區(qū)間”，若超出，則報(bào)警并停止軸的運(yùn)動(dòng)，且X軸只能手動(dòng)向觸發(fā)報(bào)警時(shí)的反方向運(yùn)動(dòng)，Z 軸只能手動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，直至報(bào)警消除。

3.2 關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)

桁架機(jī)械手采用的是半閉環(huán)控制，編碼器安裝在電機(jī)的端部，電機(jī)靠聯(lián)軸器帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行水平和豎直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)聯(lián)軸器損壞或者發(fā)生其傳動(dòng)鏈上的故障時(shí)，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但是機(jī)械手沒有動(dòng)作，就會(huì)產(chǎn)生撞車的危險(xiǎn)。例如，X 軸的聯(lián)軸器在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生故障，致使機(jī)械手停止在機(jī)床防護(hù)罩上方，若此時(shí)機(jī)械手繼續(xù)執(zhí)行Z 軸向下進(jìn)入機(jī)床內(nèi)的動(dòng)作，就會(huì)與機(jī)床防護(hù)罩發(fā)生碰撞，極其危險(xiǎn)。

為防止此類問題的發(fā)生，采取了關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)的方法。目前統(tǒng)計(jì)的X 軸關(guān)鍵點(diǎn)包括：取料位置、機(jī)床的換料位置、翻轉(zhuǎn)臺(tái)位置、卸料位置、抽檢位置，Z 軸關(guān)鍵點(diǎn)只有一個(gè)，即Z 軸的安全位置。在這些關(guān)鍵位置上安裝檢測(cè)撞塊，同時(shí)在X 軸和Z 軸上各安裝一個(gè)檢測(cè)開關(guān)。每當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到這些關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，都要判斷檢測(cè)開關(guān)的信號(hào)是否為“1”，若是“1”，機(jī)械手繼續(xù)執(zhí)行下一步動(dòng)作，若不是“1”，則證明機(jī)械手未能準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)至設(shè)定位置，需要機(jī)械手報(bào)警并停止NC 運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的桁架式生產(chǎn)線智能化高、操作簡(jiǎn)單，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。經(jīng)過兩年的實(shí)際運(yùn)行和不斷優(yōu)化，該控制方案趨于完善?，F(xiàn)公司已大批量投制該類生產(chǎn)線，并積極開拓外部市場(chǎng)，相信在不久的將來會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。