基于S7-1500PLC 的上下料加工控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

張?jiān)迄i，左振永，王逸翔

（1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451191；2.鄭州理工職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451150）

0 引言

隨著電子科學(xué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化工作站的需求日益增多。工作站總的來說是包括虛、實(shí)兩個(gè)層面，真實(shí)工作站可以為虛擬工作站帶來真實(shí)信息，虛擬工作站可以通過在計(jì)算機(jī)上模擬、分析的方式向?qū)嶓w工作站傳遞更多模擬數(shù)據(jù)，還可以為實(shí)體工作站的機(jī)器人、機(jī)床等設(shè)備設(shè)計(jì)軟件和管理其生產(chǎn)環(huán)境；而虛擬仿真技術(shù)無疑是構(gòu)建工廠系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，該系統(tǒng)以虛擬仿真及其應(yīng)用為基礎(chǔ)，完成了相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真。研究應(yīng)用SAIDE Visual One 仿真軟件來仿真，且以虛擬車間為背景，基于博圖V15 PLC 軟件，用PLC 控制自動(dòng)化生產(chǎn)線，仿真其可實(shí)施性。

該工作站使用Solid Works 軟件繪制加工的零件，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的機(jī)器人、機(jī)床和導(dǎo)軌等設(shè)備，在SAIDE Visual One 仿真環(huán)境中創(chuàng)建工作站、配置機(jī)器人和機(jī)床等設(shè)備的信號(hào)和屬性，之后對(duì)各個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行信號(hào)連接，完成機(jī)器人和PLC的編程，使工作站能夠順利完成零件自動(dòng)上下料、機(jī)床自動(dòng)加工的功能，觸摸屏能控制整個(gè)工作站過程的功能和顯示設(shè)備狀態(tài)的功能。對(duì)建立好的上下料加工控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)其出現(xiàn)的問題對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

1 上下料加工系統(tǒng)總體介紹

上下料加工系統(tǒng)的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)多品種、小數(shù)量零件的上下料加工智能化生產(chǎn)線自動(dòng)控制，在上下料加工的過程中其生產(chǎn)流程應(yīng)該簡(jiǎn)單流暢，設(shè)備位置擺放應(yīng)符合實(shí)際生產(chǎn)中的現(xiàn)實(shí)要求，控制系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)潔且功能完善。其主要設(shè)計(jì)思路是模擬現(xiàn)實(shí)中小數(shù)量、多品種零件的隨機(jī)供料，在此仿真工作站中用隨機(jī)物料生成機(jī)來代替人工的隨機(jī)供料。其工作流程為：?jiǎn)?dòng)工作站，傳送帶就開始傳送物料送到抓料點(diǎn)，此時(shí)抓料點(diǎn)的Work 組件會(huì)檢測(cè)抓料點(diǎn)上是否有零件，若抓料點(diǎn)無零件，則機(jī)器人無動(dòng)作，呈現(xiàn)待機(jī)狀態(tài)。若抓料點(diǎn)有物料，則Work 組件會(huì)檢測(cè)到有零件進(jìn)入，并判斷零件種類，發(fā)出信號(hào)給PLC，PLC 進(jìn)行邏輯判斷后發(fā)送信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人更換相應(yīng)的夾爪，對(duì)零件進(jìn)行抓取。此時(shí)傳送帶啟動(dòng)等待下一個(gè)物料到位。根據(jù)零件類型，機(jī)器人會(huì)執(zhí)行不同的加工順序，把零件放入車床或者銑床加工，加工完成后若要將零件放入成品物料架子，還需要判斷此種物料是否已滿，若不滿則可以放置，如果滿了機(jī)器人就停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人擺放完零件后，判斷下一個(gè)取料類型，若和已安裝夾爪類型相匹配則不需要更換夾爪，否則就更換夾爪，然后進(jìn)行下一次的零件加工。

2 工作站的創(chuàng)建

為了實(shí)現(xiàn)多品種、小數(shù)量零件的上下料加工智能化生產(chǎn)線自動(dòng)控制，采用日本Fanuc 的M-20iA 型帶電磁頭可裝卸夾爪型的工業(yè)機(jī)器人，其最大有效載荷20 kg，滿足負(fù)載重量要求；選用導(dǎo)軌來擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍，其選用型號(hào)名稱為Robot Floor Track，機(jī)器人在導(dǎo)軌上的活動(dòng)范圍為0～7000 mm，導(dǎo)軌寬度917 mm，高度46 mm；數(shù)控車床選用Generic CNC Lathe（通用數(shù)控車床），數(shù)控車床長(zhǎng)3750 mm、寬2050 mm、高2260 mm，銑床選用Generic Milling Machine（通用銑床），銑床長(zhǎng)3000 mm、寬2150 mm、高1750 mm。支持和機(jī)器人建立信號(hào)連接和能夠和PLC 建立連接并且完成工件的加工；選用一個(gè)能夠根據(jù)設(shè)定隨機(jī)或者按順序產(chǎn)生的零件，并賦予零件ID，模擬在實(shí)際生產(chǎn)過程中有多品種，小數(shù)量零件的情況；選用可設(shè)定速度為250 mm/s、長(zhǎng)度2500 mm、寬500 mm、高800 mm 的傳送帶，啟停信號(hào)可以和機(jī)器人與PLC 連接。為了能夠和真實(shí)工作站貼近不用做其他功能，選用長(zhǎng)800 mm、寬490 mm、高995 mm 的中央控制柜，長(zhǎng)2000 mm、寬300 mm、高2200 mm 的物料架子用來放置加工完的物料，長(zhǎng)530 mm、寬240 mm、高500 mm 的夾爪放置。除此之外還有如電腦配件、顯示屏、椅子、安全柵欄等。

用三維軟件SolidWorks 畫出所需模型，導(dǎo)入到SAIDE Visual One 軟件。仿照實(shí)際生產(chǎn)中的布局，實(shí)現(xiàn)零件上下料加工的功能，導(dǎo)軌選擇合適的長(zhǎng)度，車床、銑床、物料架子和抓料點(diǎn)都在機(jī)器人手臂可操作的范圍之內(nèi)，其工作站布局如圖1 所示。

圖1 工作站布局

3 加工上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工作站程序設(shè)計(jì)

在仿真工作站和外界控制系統(tǒng)通信之前，需要工作站完成組件屬性設(shè)置、夾爪信號(hào)設(shè)置、工作站設(shè)備信號(hào)連接、Work 組件程序編寫、機(jī)器人程序編寫等工作。

組件屬性設(shè)置主要是設(shè)備本身的屬性變量，用來控制傳送帶、物料機(jī)、車床、銑床和整個(gè)工作站的正常運(yùn)行，4 種零件的放料計(jì)數(shù)、零件類型的判斷、車床和銑床開關(guān)門控制、夾爪裝卸控制、17 個(gè)加工環(huán)節(jié)的單獨(dú)控制和全局急?？刂?。夾爪信號(hào)設(shè)置是對(duì)上下料加工工作站的夾爪裝卸和零件抓放進(jìn)行相關(guān)設(shè)定。工作站設(shè)備信號(hào)連接是所有的設(shè)備之間的連接信號(hào)，主要是對(duì)機(jī)器人和車床、銑床之間的連接。

Work 組件程序編寫是為了讓傳送帶上料的過程中Work 組件與傳送帶進(jìn)行信號(hào)連接，需要實(shí)現(xiàn)以下功能：①當(dāng)物料未到位，等待物料到達(dá)到傳送帶的過程中，Work Process 中的程序不運(yùn)行；②使物料傳送到此Work 組件上時(shí)物料能夠停止；③當(dāng)有物料停在Work 組件上時(shí)，Work 組件需能夠?qū)α慵愋瓦M(jìn)行判斷，進(jìn)而寫入零件類型到特定屬性存儲(chǔ)區(qū)（在此存儲(chǔ)區(qū)是屬性“XUANNAGE”）。

機(jī)器人程序主要用到示教編程功能，程序由主程序和子程序組成，有1 個(gè)主程序和21 個(gè)子程序，機(jī)器人主程序是控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的最主要一個(gè)組成部分，其能通過調(diào)用子程序來完成對(duì)全局的控制。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇在博圖V15 軟件里進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，該軟件是一款專業(yè)的自動(dòng)化編程軟件，且自帶仿真觸摸屏，可以進(jìn)行后續(xù)觸摸屏的連接和通信，進(jìn)而用觸摸屏控制仿真工作站。PLC 設(shè)計(jì)主程序、自動(dòng)模式子程序、手動(dòng)模式子程序。主程序主要負(fù)責(zé)調(diào)動(dòng)子程序，其也有一些公用程序的設(shè)置，用來控制整個(gè)工作站啟動(dòng)、停止和復(fù)位功能，還有控制傳送帶啟停、判斷物料是否上料、判斷零件類型和顯示各個(gè)工藝流程狀態(tài)等功能。其主程序的主要功能流程如圖2 所示，自動(dòng)模式子程序主要用于輔助仿真工作站進(jìn)行機(jī)器人加工上下料的自主運(yùn)行，其功能包括當(dāng)物料到位時(shí)進(jìn)行零件類型賦予、機(jī)器人對(duì)零件加工類型在觸摸屏上的顯示、車床開關(guān)門的一些判定。手動(dòng)模式子程序主要是能利用觸摸屏控制車床開關(guān)門、傳送帶啟停、夾爪的裝卸，以及調(diào)用機(jī)器人各個(gè)子程序進(jìn)而對(duì)各個(gè)加工過程進(jìn)行單步控制。

圖2 主程序的主要功能流程

4 通信連接與仿真測(cè)試

通信涉及PLC 與SAIDE Visual One 仿真軟件的連接，進(jìn)而控制仿真工作站中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。S7-PLCSIM Advanced 軟件可以模擬單個(gè)或者多個(gè)虛擬PLC 控制器。把編寫的PLC 程序下載到虛擬控制器里，在SAIDE Visual One 軟件，點(diǎn)擊“連通性”選項(xiàng)卡，選擇“OPC UA”服務(wù)器連接功能，測(cè)試連接。最后把PLC 的輸入、輸出變量和仿真工作站的設(shè)備屬性變量建立連接就可以仿真測(cè)試了（圖3）。

圖3 PLC 與仿真工作站連接測(cè)試

在自動(dòng)模式下，可以看到此時(shí)機(jī)器人處于空閑狀態(tài)，且物料已到位，PLC 對(duì)機(jī)器人進(jìn)行零件類型的賦予，機(jī)器人根據(jù)QF 數(shù)值進(jìn)行抓料，整個(gè)過程流程軟件無報(bào)錯(cuò)，測(cè)試正常。

5 結(jié)束語

仿真工作站設(shè)計(jì)模擬上下料加工智能化生產(chǎn)線，對(duì)實(shí)際工廠的設(shè)備布局和各個(gè)工作過程的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，能進(jìn)行可行性判斷，進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工廠中可能遇見的問題，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，縮短工廠建設(shè)的周期。