基于PLC與KUKA的凸緣自動化成型裝置設(shè)計

楊青云，張志遠(yuǎn)，韓 廣，周鐵柱

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽 471039）

基于PLC與KUKA的凸緣自動化成型裝置設(shè)計

楊青云，張志遠(yuǎn)，韓 廣，周鐵柱

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽 471039）

為解決凸緣成型過程存在的人員占用多、成型效率低、安全隱患多等制約因素，設(shè)計了一種基于PLC和KUKA機(jī)器人的凸緣自動化成型裝置，PLC是主控單元，其通過軟件設(shè)定的時序，支配著推料機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)器人、壓機(jī)和潤滑機(jī)構(gòu)的動作，控制凸緣的熱成型過程；上位機(jī)軟件集成參數(shù)設(shè)置與顯示單元、報警單元等功能，實現(xiàn)了成型過程參數(shù)的可見、可控、可預(yù)警?，F(xiàn)場試驗表明，采用自動化成型裝置將單件凸緣成型時間由90s縮減至53s，作業(yè)人員由4人降至1人，性能穩(wěn)定，極大的改善了車間生產(chǎn)能力。

PLC；凸緣成型；控制系統(tǒng)

0 引言

銅鎳合金管材及管附件具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、抗海生物污損及其他綜合性能，是替代紫銅、不銹鋼等使用于海水環(huán)境的理想材料，在國內(nèi)外造船業(yè)和海洋工程業(yè)中被大量采用[1]，其中凸緣[2]在銅鎳合金管件中占有很大比重。

圖1 銅鎳合金凸緣結(jié)構(gòu)

目前，銅鎳合金凸緣成型過程自動化水平低下，幾乎完全依賴于多人的人工協(xié)作，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、人力成本較高，阻礙了生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，且銅鎳合金凸緣為熱成型方式，成型過程中潤滑劑受熱產(chǎn)生大量煙塵，存有燙傷、砸傷、呼吸道感染等安全隱患。本文針對凸緣成型過程存在的人、機(jī)瓶頸，提出了以PLC（可編程控制器）和KUKA機(jī)器人作為主要硬件設(shè)施，結(jié)合自動控制理論的設(shè)計方案，提升凸緣成型過程的自動化水平。在設(shè)計中以“安全性、冗余性、多樣性、連續(xù)性”為設(shè)計理念，體現(xiàn)了“以機(jī)代人”的設(shè)計思想，不僅能夠節(jié)省人力、縮短成型時間，還顯著提高了凸緣成型毛坯的合格率，對國內(nèi)傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備的自動化升級改造有一定的借鑒意義。

1 凸緣自動化成型裝置的基本組成

凸緣自動化成型裝置由基于PLC的控制系統(tǒng)、KUKA機(jī)器人、推料裝置、油壓機(jī)、潤滑裝置、中頻加熱爐和相應(yīng)規(guī)格的凸緣模具組成。其中控制系統(tǒng)由PLC、位移傳感器、溫度傳感器、接近開關(guān)、顯示終端、控制元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、低壓配電柜等組成。自動化成型裝置組成框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 凸緣自動化成型裝置組成

圖3 凸緣自動化成型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 推料機(jī)構(gòu)

推料機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)坯料管段自動上料。鋸切好的管段并排放置于中頻加熱爐內(nèi)的兩根金屬導(dǎo)軌上，通過由伺服馬達(dá)驅(qū)動的頂桿推動管段前移，機(jī)器人每取走一個工件，推料機(jī)構(gòu)即推動管段前移，前移距離與單個管段尺寸相同，位移傳感器實時記錄頂桿前進(jìn)距離，將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號供PLC采集與實時顯示。當(dāng)頂桿達(dá)到其最大伸展距離后，停止推進(jìn)并自動退回起始位，同時觸發(fā)加料提醒閃光燈。

1.2 KUKA機(jī)器人

搬運(yùn)機(jī)器人，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)替代人工操作。根據(jù)不同規(guī)格凸緣毛坯的重量，選用KR60-3F型號的機(jī)器人，其為六軸驅(qū)動，承受負(fù)載達(dá)60kg，機(jī)械臂作用范圍可達(dá)2033mm，定位準(zhǔn)確，其重復(fù)精確度高達(dá)0.06mm。運(yùn)行過程中，機(jī)器人按照程序設(shè)定從爐腔中取出已加熱的管段，將其放置于壓機(jī)上成型模具的模腔中心，之后退出壓制范圍，待壓制完成，機(jī)器人從模腔內(nèi)取出毛坯，在指定工作臺碼垛。

1.3 油壓機(jī)

油壓機(jī)的作用是將加熱管段在模腔內(nèi)壓制成為滿足機(jī)加工要求的凸緣毛坯，油壓機(jī)應(yīng)嚴(yán)格按照控制時序進(jìn)行壓制與回程，模具底端設(shè)置了頂升機(jī)構(gòu)，由PLC控制頂桿實現(xiàn)自動退料。

1.4 潤滑機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)起潤滑和降溫雙重功效。每完成一次壓制，噴涂槍自動伸入上模與下模中間，向兩側(cè)模腔內(nèi)噴涂石墨乳，噴涂的時機(jī)與持續(xù)時間由PLC控制。

1.5 控制系統(tǒng)

采用三菱PLC+觸摸屏的工業(yè)控制方案，配備擴(kuò)展I/0模塊，PLC作為主控核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及邏輯判斷，并發(fā)送控制信號；觸摸屏作為人機(jī)交互界面，接收操作指令并實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)；控制系統(tǒng)配置了位移傳感器、溫度傳感器及限位開關(guān)等傳感單元，作為信號源向PLC提供數(shù)據(jù)支持。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 設(shè)計要求

為滿足工業(yè)應(yīng)用要求，凸緣自動化成型控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征[3]：

1）控制系統(tǒng)安全可靠。充分考慮可能出現(xiàn)的安全隱患，現(xiàn)場及遠(yuǎn)程均要求設(shè)置緊停按鈕，優(yōu)先級為最高級；

2）考慮系統(tǒng)擴(kuò)展能力，預(yù)留I/0點和通訊接口；

3）適應(yīng)現(xiàn)場安全要求，根據(jù)機(jī)器人不同階段的動作設(shè)置相應(yīng)轉(zhuǎn)速。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、報警顯示等人機(jī)交互功能，系統(tǒng)采用基于PLC和觸摸屏的控制方案。PLC可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單、維護(hù)方便，但顯示能力差，用戶難以直觀的在界面上觀測與設(shè)置試驗參數(shù)；觸摸屏作為顯示終端，彌補(bǔ)了PLC顯示能力差的缺陷。PLC與觸摸屏間通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

支配機(jī)器人動作的控制程序可集成在PLC程序內(nèi)，但此種方法存有弊端：一方面，PLC內(nèi)集成和調(diào)用機(jī)器人的底層控制代碼，編程難度大；另一方面，利用第三方軟件對機(jī)器人編程可能出現(xiàn)兼容性問題，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文直接在KUKA機(jī)器人自帶的示教器編程，與PLC通過I/O方式交互，具有良好的適配性，硬線連接安全可靠，適用于工業(yè)控制場合。

2.3 硬件選型

經(jīng)分析共有個33開關(guān)輸入量、28個開關(guān)輸出量和2路模擬量輸入。根據(jù)輸入輸出信號的類型、數(shù)量和控制要求，結(jié)合系統(tǒng)冗余要求（通常20%～30%的備用原則[4]），選用三菱FX3U-64MT/ES-A型號的PLC作為控制核心，該模塊包含32個輸入點和32個輸出點，配備64K大容量的RAM存儲器；選用三菱FX2N-4AD作為PLC的擴(kuò)展模塊實現(xiàn)模擬量的采集，該模塊包含4路模擬量輸入，選用三菱FX2N-16EX作為PLC的擴(kuò)展模塊，該模塊包含16路數(shù)字量輸入[5]；選用三菱GT2310-VTBD型號的觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

凸緣自動化成型控制系統(tǒng)I/O分配表如表1所示。

2.3.1 下位機(jī)程序設(shè)計

1）PLC編程

三菱PLC一般有三種編程方式：指令表編程、梯形圖編程、步進(jìn)功能圖編程（SFC），SFC是根據(jù)機(jī)械流程來進(jìn)行順控設(shè)計的輸入方法，這種方法的優(yōu)點是按照機(jī)械動作來進(jìn)行程序流程設(shè)計，在運(yùn)動控制中優(yōu)點突出，利用步的概念來設(shè)計程序流程使我們把注意力集中在活動步中，簡化編程。結(jié)合控制系統(tǒng)要求，程序采用模塊化的設(shè)計思想，將成型的控制過程分為手動與自動兩種方式，依靠操作面板上的切換開關(guān)完成兩種方式間的切換[6]。

表1 凸緣自動化成型控制系統(tǒng)I/O分配表

PLC軟件開發(fā)流程通常分為五步：1）確定I/0地址的分配；2）確定程序總體結(jié)構(gòu)；3）編寫各個子模塊程序，分別調(diào)試實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能；4）設(shè)計通信模塊功能；5）集成各子程序及通信模塊，驗證系統(tǒng)功能。

為保證控制過程安全有序，步與步之間的切換設(shè)計有反饋邏輯，每步動作結(jié)束的同時向PLC主控核心發(fā)送反饋信號，PLC只有接收到反饋信號才執(zhí)行下一步的動作，這種方式既保證控制的穩(wěn)定性，又避免了步與步之間發(fā)生邏輯沖突，使得成型控制過程連續(xù)有序。

PLC控制流程如圖4所示。

2）KUKA機(jī)器人編程

KUKA公司為用戶提供了編程的環(huán)境KRL，它是一種類似C語言的文本型語言[7]，軟件基于KUKA公司開發(fā)的新一代Smart Pad，具有便攜和易修正的特性，極大的簡化了編譯過程。

凸緣成型控制系統(tǒng)采用順序結(jié)構(gòu)。首先，有條理的規(guī)劃機(jī)器人行進(jìn)過程歷經(jīng)的點及預(yù)定的夾抓動作，機(jī)器人所涉的點及動作如圖5所示，將各位移點信息寫入軟件；其次，設(shè)計觸發(fā)環(huán)節(jié)，由PLC觸發(fā)機(jī)器人動作，實現(xiàn)機(jī)器人與推料裝置、壓機(jī)和潤滑裝置的時序配合，為保證控制過程的連續(xù)性，機(jī)器人每完成一個動作向PLC發(fā)送反饋信號；最后，設(shè)計碼垛環(huán)節(jié)，已經(jīng)成型的凸緣毛坯由機(jī)器人自動退料，在預(yù)置的工作臺呈長×寬×高排列，該功能采用雙層FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)編譯。人機(jī)交互界面利用通信的方式與機(jī)器人程序交互，實現(xiàn)參數(shù)的靈活可調(diào)。

圖4 PLC控制流程

圖5 機(jī)器人動作位移點

2.3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

凸緣成型控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件實現(xiàn)了監(jiān)控參數(shù)的實時顯示、設(shè)置參數(shù)的下行及報警信息的判斷與顯示等功能。本設(shè)計中的上位機(jī)程序采用了Kingview6.55組態(tài)王軟件，通過RS232串口方式與PLC相連[8]。

上位機(jī)程序主界面分為設(shè)備參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示、報警信息，如圖6所示，各界面之間通過按鈕相互切換，畫面中所有變量均與PLC主站的數(shù)據(jù)模塊一一對應(yīng)，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)顯示。

圖6 上位機(jī)程序界面

參數(shù)設(shè)置模塊：設(shè)置控制系統(tǒng)各功能模塊的參數(shù)，以及系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的可變量。如推料機(jī)構(gòu)起始點的確立、噴涂機(jī)構(gòu)延續(xù)時間的設(shè)定等。

狀態(tài)顯示模塊：實時監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如中頻爐溫度、推料機(jī)構(gòu)頂桿位移等。

故障報警模塊：對系統(tǒng)運(yùn)行過程可能發(fā)生的故障進(jìn)行警示?？刂葡到y(tǒng)的報警變量分為開關(guān)量與模擬量，其中模擬量需與預(yù)設(shè)上下限對比，判定狀態(tài)是否異常。為便于排查故障，根據(jù)經(jīng)驗梳理了引發(fā)故障報警的常見原因，以經(jīng)驗庫的形式錄入系統(tǒng)。

2.3.3 通信規(guī)程

為保證通訊可靠、實時性好、易于編程，選擇OPC方式進(jìn)行PLC寄存器與MX OPC SEVER的數(shù)據(jù)交互，利用組態(tài)王軟件銜接監(jiān)控界面與MX OPC SEVER。

OPC（OLE For Process Control）是一種基于微軟OLE、COM和DCOM組件，利用PC的客戶機(jī)/服務(wù)器模式交換實時數(shù)據(jù)的方法。它是一個開放的技術(shù)規(guī)范，制定了過程客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序間進(jìn)行交互的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。OPC具有代碼重用性、語言無關(guān)性、易于集成性的優(yōu)點[9]。它通過OLE自動化標(biāo)準(zhǔn)的三層接口：OPC Sever、OPC Groups、OPC Item與數(shù)據(jù)源和客戶端相連，其工作原理如圖7所示。

圖7 OPC方式工作原理

3 結(jié)束語

設(shè)計并分析了銅鎳合金凸緣的自動化成型系統(tǒng)原理，剖析了系統(tǒng)的軟硬件組成，針對凸緣自動成型控制系統(tǒng)，本文采用PLC+觸摸屏的工控方案，詳述了PLC、機(jī)器人和上位機(jī)的軟件編程及通信方法。

研制的凸緣自動化成型裝置實現(xiàn)了人機(jī)分離，使多個設(shè)備“自働化”，人僅負(fù)責(zé)監(jiān)管，極大的變革了生產(chǎn)方式。凸緣自動化成型裝置運(yùn)行穩(wěn)定，單件凸緣成型時間由90s減少至53s，操作人員由4人降至1人，顯著提高了凸緣的成型效率與成型質(zhì)量。

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Design of stub ends auto-forming device based on PLC and KUKA robot

YANG Qing-yun, ZHANG Zhi-yuan, HAN Guang, ZHOU Tie-zhu

TP24

：B

1009-0134(2017)07-0024-04

2017-03-17

楊青云（1988 -），男，助理工程師，碩士，研究方向為機(jī)械設(shè)計及自動化。