基于工業(yè)機(jī)器人的渦旋壓縮機(jī)智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒯衛(wèi)國，蘇 建

（1.艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215104）

壓縮機(jī)是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種從動(dòng)的流體機(jī)械，是制冷系統(tǒng)的“心臟”，空調(diào)最核心的部件是壓縮機(jī)，一臺(tái)壓縮機(jī)可以占到整臺(tái)空調(diào)成本的30%～40%，制冷系統(tǒng)的好壞與壓縮機(jī)有著最密切的關(guān)系。壓縮機(jī)廣泛運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械、食品裝潢和紡織等行業(yè)，市場(chǎng)需求量巨大。

渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮的壓縮機(jī)，壓縮部件由動(dòng)渦旋和靜渦旋組成，它兼具往復(fù)壓縮機(jī)與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲振動(dòng)低及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)[1]。

當(dāng)前，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為發(fā)展方向的智能制造迎來了深刻變革，逐漸成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造中智能裝備的代表，已在汽車、3C 等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。搬運(yùn)控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)重要分支，作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段[2]。由于人口紅利漸弱、原材料成本提升，“機(jī)器換人”成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提高科技含量、增加產(chǎn)品附加值的必然趨勢(shì)。

經(jīng)調(diào)研，壓縮機(jī)的生產(chǎn)目前還停留在以數(shù)控機(jī)床獨(dú)立批量加工為主，部分產(chǎn)線雖實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)床、一機(jī)器人”的工作站單元，但是生產(chǎn)與檢測(cè)效率還不夠高。集合加工、檢測(cè)、分揀于一體的多機(jī)器人、多機(jī)床的智能生產(chǎn)線優(yōu)化控制方案較少。

本文構(gòu)建了集PLC、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、比對(duì)儀、壓襯套機(jī)、打磨拋光機(jī)于一體的多功能、高效率的渦旋壓縮機(jī)智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)。基于工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，提出了的PLC 控制工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了兩套工業(yè)機(jī)器人多功能末端夾具，實(shí)現(xiàn)渦旋壓縮機(jī)的先進(jìn)制造、快速檢測(cè)、高效生產(chǎn)。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備選型

Siemens S7-1200PLC 具有一個(gè)集成的支持MODBUSTCP 協(xié)議的PROFINET 網(wǎng)口，能夠?qū)LC、工業(yè)機(jī)器人和視覺系統(tǒng)系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與交互[3]。本系統(tǒng)選用了西門子PLC、HMI 和變頻器，與FANUC 工業(yè)機(jī)器人以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)主要電氣型號(hào)如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)主要電氣型號(hào)及數(shù)量

1.2 平臺(tái)布局

生產(chǎn)線布局圖和智能生產(chǎn)線仿真圖如圖1 和圖2 所示。渦旋壓縮機(jī)智能生產(chǎn)線主要由工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、物料輸送帶、比對(duì)儀、壓襯套機(jī)、打磨拋光機(jī)等組成。其中工業(yè)機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)渦旋壓縮式動(dòng)渦旋（下簡稱小盤）與靜渦旋（下簡稱大盤）的搬運(yùn)和機(jī)床上下料；物料輸送帶由變頻器驅(qū)動(dòng)三相交流電動(dòng)機(jī)控制、在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位加裝到位傳感器（多采用接近開關(guān)）組成，完成托盤的輸送；比對(duì)儀測(cè)量機(jī)由比對(duì)儀、工件滑臺(tái)、移送機(jī)構(gòu)組成，完成在線加工尺寸測(cè)量及加工誤差反饋，直接通過以太網(wǎng)反饋給加工的數(shù)控車床進(jìn)行在線加工精度調(diào)整；數(shù)控機(jī)床主要進(jìn)行大、小盤加工；壓襯套機(jī)主要將軸襯套壓入小盤偏心軸套內(nèi)；打磨拋光機(jī)主要對(duì)小盤基準(zhǔn)面進(jìn)行精拋光。

圖1 生產(chǎn)線布局圖

圖2 智能生產(chǎn)線仿真圖

2 PLC 通信及程序設(shè)計(jì)

2.1 PLC 組網(wǎng)與通信

渦旋壓縮機(jī)智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3 所示，其中西門子PLC、HMI 和變頻器選用西門子產(chǎn)品自帶的PROFI-NET 通信協(xié)議，工業(yè)機(jī)器人、比對(duì)儀通過安裝相應(yīng)的GSD 文件后實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信。CNC1、CNC2、CNC3、壓襯機(jī)和打磨拋光機(jī)通過開關(guān)量方式進(jìn)行控制。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2.2 PLC 主控程序流程圖

PLC 在本系統(tǒng)中處于主控地位，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)加工流程的控制、數(shù)據(jù)交互、機(jī)器人動(dòng)作的控制。其中，PLC 與兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人通過以太網(wǎng)通信，分別實(shí)時(shí)發(fā)送給兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人控制字CTR1 和CTR2，同時(shí)兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人又實(shí)時(shí)反饋給PLC 兩個(gè)狀態(tài)字STA1 和STA2，實(shí)現(xiàn)一個(gè)PLC 控制2 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的搬運(yùn)動(dòng)作流程。PLC 程序流程如圖4 所示。

圖4 PLC 主控程序流程圖

3 工業(yè)機(jī)器人示教編程

3.1 機(jī)器人末端工具設(shè)計(jì)

Robot1 末端工具為2 套三指手爪和1 套二指手爪，如圖5 所示。手爪1 和手爪2 配備旋轉(zhuǎn)氣缸，可以旋轉(zhuǎn)工件，三指手爪外夾工件頂端外圓面，配氣動(dòng)推盤，可以為車床及比對(duì)儀上下料，手指前段為耐磨墊塊結(jié)構(gòu)（墊塊材料12Cr，硬度大于等于HRC45）。夾取工件的圓柱外側(cè)面，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開。手爪1 進(jìn)行托盤上取料和機(jī)床上料，手爪2 進(jìn)行機(jī)床下料，手爪3 為二指手爪，可以進(jìn)行托盤下料。機(jī)械卡爪上配備有吹氣裝置，用于清理工件及機(jī)床卡盤。

圖5 Robot1 末端工具

Robot2 末端工具有四種手爪，如圖6 所示。手爪1 為三指手爪，配備氣動(dòng)推盤，可以為車床上料；手爪2 為兩指形式，為車床下料和拋磨機(jī)、比對(duì)儀、清理鐵屑臺(tái)上下料，手指前段的夾塊為V 形結(jié)構(gòu)，夾取工件的小圓柱側(cè)面；手爪3為內(nèi)撐形式的三指手爪，手指上配備尼龍墊塊，內(nèi)撐軸承工件內(nèi)孔，且配備調(diào)壓閥；手爪4 為壓機(jī)上下料及托盤下料手爪，該手爪配備氣控單向閥保證斷氣手爪不松開工件不會(huì)掉落。

圖6 Robot2 末端工具

3.2 機(jī)器人關(guān)鍵位置示教

根據(jù)加工流程與工藝要求，Robot1 共有7 個(gè)大盤工件的搬運(yùn)動(dòng)作，需要示教11 個(gè)關(guān)鍵位置；Robot2 共有8 個(gè)小盤搬運(yùn)動(dòng)作和2 個(gè)大盤搬運(yùn)動(dòng)作，需要示教17 個(gè)關(guān)鍵位置。兩臺(tái)機(jī)器人各個(gè)搬運(yùn)動(dòng)作流程、控制字和示教關(guān)鍵位置如表2 所示。

表2 機(jī)器人搬運(yùn)動(dòng)作流程與關(guān)鍵位置

3.3 工業(yè)機(jī)器人程序

Robot1 主程序MAIN 如下所示，其中GO[1]為機(jī)器人發(fā)送給PLC 的狀態(tài)字STA1，GI[1]為PLC 發(fā)送給機(jī)器人的控制字CTR1：

4 總結(jié)分析

本文構(gòu)建了基于工業(yè)機(jī)器人的智能生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多功能工業(yè)機(jī)器人末端夾具，基于工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速交互與提出了優(yōu)化控制算法。測(cè)試證明，大盤雙車床單元節(jié)拍是76 s/件，小盤車床拋光壓制單元節(jié)拍85 s/件，即170 s 可生產(chǎn)2 個(gè)大盤工件及2 個(gè)小盤工件，實(shí)現(xiàn)渦旋壓縮機(jī)的先進(jìn)制造、快速檢測(cè)、高效生產(chǎn)。