一款小型加工單元的監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

邴 旭 化春雷 林劍峰 徐兆成

（沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

目前，隨著汽車(chē)、航空等制造行業(yè)對(duì)于提高加工效率、縮短加工節(jié)拍、提高加工精度和減少人力成本的迫切需求，國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)化成套設(shè)備的需求日益強(qiáng)勁。在一些大型制造企業(yè)中，以往的單機(jī)作業(yè)模式已經(jīng)逐漸發(fā)展為由多臺(tái)機(jī)床、輔助設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備構(gòu)成的自動(dòng)化加工單元或自動(dòng)化生產(chǎn)線模式。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)成套設(shè)備的自動(dòng)化控制，筆者利用現(xiàn)有的設(shè)備和機(jī)床組成了一個(gè)小型加工單元，進(jìn)行典型的上位機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的3層結(jié)構(gòu)控制模式試驗(yàn)。通過(guò)不斷的經(jīng)驗(yàn)積累與實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了較為通用的小型加工單元監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法，希望以此為契機(jī)，經(jīng)過(guò)不斷的探索與改進(jìn)，最終掌握國(guó)際先進(jìn)的自動(dòng)化成套設(shè)備控制技術(shù)，支撐國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)自主化制造。

1 加工單元設(shè)備組成

單元中的設(shè)備按照自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)備功能的劃分，可分為控制器、檢測(cè)裝置和被控設(shè)備3類(lèi)?？刂破靼ㄉ衔粰C(jī)和單元可編程邏輯控制器（PLC），檢測(cè)裝置包括一套視覺(jué)系統(tǒng)和若干傳感器，被控設(shè)備包括1臺(tái)立式車(chē)床、1臺(tái)立式加工中心、1個(gè)六軸機(jī)器人。加工單元的外觀如圖1所示。

單元PLC用于采集現(xiàn)場(chǎng)的反饋信號(hào)，并控制加工單元中所有設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。監(jiān)控上位機(jī)則通過(guò)以太網(wǎng)與2臺(tái)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人控制器、單元PLC相連接，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視單元內(nèi)的所有設(shè)備的狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 加工單元工作流程介紹

機(jī)器人從上料區(qū)抓取定位好的坯料送到儲(chǔ)料區(qū)，當(dāng)立式車(chē)床內(nèi)有空位后，由機(jī)器人把它放在數(shù)控車(chē)床的前工位托盤(pán)上。之后，機(jī)器人會(huì)將加工完一面的工件送去沖洗除屑，然后繼續(xù)加工另一面。在工件進(jìn)入加工中心之前，工件的中空部分要被目視檢查，氣門(mén)孔的標(biāo)記通過(guò)攝像識(shí)別。由加工中心加工完成后，工件最終被放置在上料區(qū)等待再次循環(huán)加工試驗(yàn)。工件的加工流程圖參見(jiàn)圖3。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能與實(shí)現(xiàn)

加工單元監(jiān)控系統(tǒng)具備了對(duì)單元運(yùn)行的控制功能和對(duì)單元運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視功能。其中，控制功能既要實(shí)現(xiàn)對(duì)加工單元中各設(shè)備的獨(dú)立控制，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工單元設(shè)備根據(jù)工藝要求進(jìn)行統(tǒng)一地、自動(dòng)地控制。

單元PLC選擇西門(mén)子S7系列的CPU 315－2 DP，再配上若干數(shù)字輸入模塊和數(shù)字輸出模塊。此外，為了與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，還要配上以太網(wǎng)通信模塊CP343－1。

3.1 加工單元內(nèi)各設(shè)備的控制

（1）對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制

本單元中的兩臺(tái)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)均為西門(mén)子840D，內(nèi)嵌有S7 300的PLC，根據(jù)機(jī)床各部件的連鎖條件編寫(xiě)PLC程序后，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床自身的控制功能。為了滿足聯(lián)動(dòng)控制的需要，還要在數(shù)控系統(tǒng)中增加若干輸入輸出點(diǎn)作為通信接口，以便與單元PLC交換信號(hào)。

（2）對(duì)機(jī)器人的控制

機(jī)器人的運(yùn)送動(dòng)作是采用示教的方式編程的，就是在手動(dòng)的狀態(tài)下，調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作，記錄動(dòng)作中關(guān)鍵點(diǎn)的位置（如動(dòng)作起點(diǎn)，抓取物體的位置點(diǎn)等），指定2個(gè)動(dòng)作點(diǎn)之間的運(yùn)行速度、運(yùn)行方式（直線、圓弧等）、定位精度和所使用的工具等。編好的機(jī)器人程序可以通過(guò)外部的I/O信號(hào)來(lái)觸發(fā)執(zhí)行，這就是機(jī)器人搬運(yùn)的基本思想。此外，同樣需要使用若干輸入輸出點(diǎn)與單元PLC交換信號(hào)。

（3）厚度測(cè)量裝置

厚度測(cè)量裝置由單元PLC控制，當(dāng)PLC檢測(cè)到測(cè)厚裝置處有工件時(shí)，通過(guò)輸出點(diǎn)控制氣動(dòng)電磁閥，讓氣缸中的活塞向下移動(dòng)。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，控制氣缸中的活塞向上移動(dòng)，當(dāng)PLC檢測(cè)到上升到位信號(hào)后停止上升。

（4）視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)帶有1個(gè)控制器，控制器有2個(gè)輸入點(diǎn)，可以在其配套的設(shè)置軟件中，把1個(gè)輸入點(diǎn)設(shè)置為觸發(fā)拍照，則當(dāng)單元PLC通過(guò)輸出點(diǎn)給該輸入發(fā)送1個(gè)信號(hào)后，就會(huì)觸發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)中的控制器進(jìn)行拍照。

3.2 加工單元內(nèi)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制

當(dāng)操作員在上位機(jī)上按下運(yùn)行按鈕后，若整個(gè)加工單元內(nèi)各設(shè)備均無(wú)故障或報(bào)警，加工單元就處于自動(dòng)工作的待機(jī)狀態(tài)。如果此時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到上料臺(tái)有工件，則單元內(nèi)各設(shè)備就按照預(yù)定程序進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。下面將詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)工件在單元內(nèi)的加工工序及控制方法。

工序1:單元PLC檢測(cè)到1號(hào)位有工件后，判斷滿足工件送到2號(hào)位的條件后，向機(jī)器人發(fā)出1－2運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。

工序2:機(jī)器人接收到1－2運(yùn)送請(qǐng)求后，調(diào)用事先編好的示教程序把1號(hào)位的工件抓取到2號(hào)位，抓取到位后會(huì)向單元PLC發(fā)送2號(hào)位到位信號(hào)。

工序3:單元PLC接收到2號(hào)位到位信號(hào)后，判斷若滿足工件送到3號(hào)位的條件，則向機(jī)器人發(fā)出2－3運(yùn)送請(qǐng)求，當(dāng)機(jī)器人接收到該請(qǐng)求并且空閑時(shí)，調(diào)用程序把工件送到3號(hào)位，到位后向單元PLC發(fā)送3號(hào)位到位信號(hào)。

工序4:當(dāng)4號(hào)位的上一個(gè)工件加工完成之后，立車(chē)的PLC控制托盤(pán)進(jìn)行交換。當(dāng)托盤(pán)交換完成后，數(shù)控系統(tǒng)調(diào)用工件的第一面加工程序進(jìn)行第一面的車(chē)削加工。

工序5:加工完第一面之后，立車(chē)的PLC控制托盤(pán)進(jìn)行交換，交換完成后立車(chē)PLC會(huì)給單元PLC一個(gè)通知信號(hào)。單元PLC判斷若滿足把工件送到5號(hào)位的條件，則向機(jī)器人發(fā)出3－5運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。

工序6:機(jī)器人接收到3－5運(yùn)送請(qǐng)求并且空閑時(shí)，調(diào)用事先編好的示教程序把3號(hào)位工件搬運(yùn)到5號(hào)位，抓取到位后會(huì)向單元PLC發(fā)送5號(hào)位到位信號(hào)。

工序7:立車(chē)的PLC控制沖洗機(jī)構(gòu)沖洗工件，完成后立車(chē)PLC發(fā)送給單元PLC一個(gè)通知信號(hào)，單元PLC判斷滿足將工件送到6號(hào)位的條件時(shí)，向機(jī)器人發(fā)出5－6運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。

工序8:機(jī)器人接收到5－6運(yùn)送請(qǐng)求并且空閑時(shí)，搬運(yùn)5號(hào)位工件送到6號(hào)位，當(dāng)機(jī)器人抓取到位后會(huì)向單元PLC發(fā)送6號(hào)位到位信號(hào)。

工序9:單元PLC檢測(cè)到6號(hào)位有料信號(hào)后，單元PLC控制厚度測(cè)量裝置測(cè)量工件的厚度，當(dāng)測(cè)量裝置下降到位后，根據(jù)測(cè)量值算出工件的厚度，完成后控制測(cè)量裝置上升，然后向機(jī)器人發(fā)出6－3運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。

工序10:機(jī)器人接收到6－3運(yùn)送請(qǐng)求并且空閑時(shí)，搬運(yùn)6號(hào)位工件送到3號(hào)位，當(dāng)機(jī)器人抓取到位后會(huì)向單元PLC發(fā)送3號(hào)位到位信號(hào)。

工序11:4號(hào)位的工件加工完第一面后，立車(chē)的PLC控制托盤(pán)進(jìn)行交換，然后由數(shù)控系統(tǒng)調(diào)用工件的第二面加工程序進(jìn)行第二面的車(chē)削加工。

工序12:4號(hào)位的工件加工完第二面后，立車(chē)的PLC控制托盤(pán)交換，然后立車(chē)PLC會(huì)給單元PLC通知信號(hào)。單元PLC判斷若滿足把3號(hào)位工件送到7號(hào)位的條件，則向機(jī)器人發(fā)出3－7運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。

工序13:機(jī)器人接收到3－7運(yùn)送請(qǐng)求并且空閑時(shí)，把工件送到7號(hào)位，到位后機(jī)器人反饋給單元PLC 7號(hào)位到位信號(hào)，單元PLC控制視覺(jué)系統(tǒng)拍照檢查。

如果檢查工件不合格，單元PLC則控制機(jī)器人把工件送到9號(hào)位;如果檢查工件合格，機(jī)器人抓取到位后會(huì)向單元PLC發(fā)送8號(hào)位到位信號(hào)。當(dāng)立式加工中心的PLC接到工件檢測(cè)信號(hào)后，觸發(fā)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行工件加工程序進(jìn)行加工。

工序14:當(dāng)工件在立加中加工完成后，單元PLC判斷滿足把工件送到上料區(qū)的條件后，向機(jī)器人發(fā)出8－1運(yùn)送請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)機(jī)器人接收到該請(qǐng)求且空閑時(shí)，搬運(yùn)工件到1號(hào)位，等待下一次循環(huán)試驗(yàn)。

從上面的自動(dòng)化控制過(guò)程可以看出，加工單元自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)控制的關(guān)鍵處在于對(duì)機(jī)器人的控制。機(jī)器人控制系統(tǒng)在檢測(cè)到各工位的準(zhǔn)備好信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。如果檢測(cè)到多個(gè)工位同時(shí)有準(zhǔn)備好信號(hào)時(shí)，按照出料優(yōu)先的原則，優(yōu)先執(zhí)行工位號(hào)大的工位上的相關(guān)動(dòng)作?？刂屏鞒虆⒁?jiàn)圖4。

3.3 加工單元內(nèi)工件和設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視

在工控計(jì)算機(jī)上，運(yùn)行有自主研發(fā)的加工單元監(jiān)控界面程序，該程序使用高級(jí)編程語(yǔ)言Visual Basic進(jìn)行開(kāi)發(fā)。工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)，利用西門(mén)子的通信軟件包SIMATIC NET中提供的OPC服務(wù)器，以O(shè)PC的方式訪問(wèn)S7－300 PLC中的變量，進(jìn)而監(jiān)視加工單元內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。加工單元監(jiān)控界面程序具有以下幾個(gè)功能:

（1）單元總覽

在監(jiān)控界面的主窗口上有整個(gè)加工單元的模型，可以監(jiān)控整個(gè)加工單元上各臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀況，以及單元內(nèi)每個(gè)工件當(dāng)前所在工位和工件信息。在主窗口的底部制作有按鈕欄，作為進(jìn)入其他子頁(yè)面的入口，如圖5所示。

（2）監(jiān)視主要設(shè)備狀態(tài)

在監(jiān)控界面的主窗口上，當(dāng)點(diǎn)擊機(jī)床、機(jī)器人、PLC或視覺(jué)系統(tǒng)按鈕時(shí)，會(huì)進(jìn)入該設(shè)備的監(jiān)視窗口。在窗口中能夠查看該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和輸入輸出信號(hào)狀態(tài)等，圖6所示為點(diǎn)擊立式車(chē)床按鈕后顯示的立式車(chē)床監(jiān)視窗口。

（3）數(shù)據(jù)和報(bào)警

匯總了所有加工過(guò)的工件的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和加工單元內(nèi)發(fā)生的所有報(bào)警，并可以根據(jù)輸入的條件查詢歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)和報(bào)警，如圖7所示。

（4）系統(tǒng)設(shè)置

在設(shè)置窗口，可以設(shè)置一些系統(tǒng)通信參數(shù)，如各通信設(shè)備的以太網(wǎng)IP地址等。此外，還可以對(duì)用戶和用戶權(quán)限進(jìn)行管理，讓不同等級(jí)的用戶具有不同的操作權(quán)限。

4 結(jié)語(yǔ)

歷經(jīng)數(shù)月的時(shí)間，經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)與改進(jìn)，應(yīng)用本文中方法開(kāi)發(fā)的單元監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行十分良好，對(duì)加工單元進(jìn)行了有效的監(jiān)控。使加工單元能夠滿容量全自動(dòng)高速運(yùn)行，并具有自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)搬運(yùn)、自動(dòng)加工和自動(dòng)清洗的功能，得到了專(zhuān)業(yè)人士的一致認(rèn)同和贊賞。今后，我們可以在此基礎(chǔ)上，更加深入地研究自動(dòng)化成套設(shè)備的監(jiān)控方法，逐步具備為用戶提供整套自動(dòng)化解決方案的能力，為提高我國(guó)的制造裝備自動(dòng)化水平、支撐國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)自主化制造貢獻(xiàn)一份力量!

［1］邱紅，寸花英，嚴(yán)江云，等.精密箱體類(lèi)柔性制造系統(tǒng)的系統(tǒng)集成控制解決方案［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011（10）:70－73.

［2］李江全，湯智輝，朱東芹，等.Visual Basic數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.