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數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料工作站實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)
2020-11-3 來源：山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 作者：韓金利
摘要：論述西門子８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)上下料實(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了上下料控制系統(tǒng)的硬件和軟件，并對(duì)上下料過程進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上下料過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)與實(shí)習(xí)需求。
關(guān)鍵詞：上下料工作站；數(shù)控機(jī)床；實(shí)驗(yàn)裝置
０、引言
隨著“工業(yè) ４．０”以及“中國制造 ２０２５”規(guī)劃的提出，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)推動(dòng)了數(shù)控裝備技術(shù)的發(fā)展。另外，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口紅利逐步減少，很多企業(yè)出現(xiàn)了招工困難、操作工人流動(dòng)性大、管理困難等問題，在機(jī)加行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床上下料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，與此同時(shí)，企業(yè)也需要大量的自動(dòng)上下料工作站維護(hù)維修人員，對(duì)于高職院校來說，加強(qiáng)學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上下料方面的培訓(xùn)顯得極其重要。
針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于 ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)的簡易上下料裝置，采用 ＡＢＢ六關(guān)節(jié)機(jī)器人作為運(yùn)料執(zhí)行器，以西門子Ｓ７－１２００為主控制器，使用一臺(tái)ＰＣ機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站進(jìn)行監(jiān)控，學(xué)生還可以利用這臺(tái)ＰＣ進(jìn)行編程練習(xí)。
１、自動(dòng)上下料工作站實(shí)驗(yàn)裝置總體方案設(shè)計(jì)
１.１、硬件構(gòu)成
該實(shí)驗(yàn)裝置采用西門子 ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)器人采用 ＡＢＢ ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ控制器，本體采用ＩＲＢ１２０，總控采用Ｓ７－１２００ＰＬＣ，系統(tǒng)總體框圖如圖１所示。
圖１. 自動(dòng)上下料工作站實(shí)驗(yàn)裝置的總體框圖
１.２、控制方案
根 據(jù) 自 動(dòng) 上 下 料 控 制 要 求， 完 成ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輸入輸出模塊 ＰＰ７２／４８、總控 ＰＬＣ、機(jī)器人控制器等模塊的安裝與調(diào)試，并滿足以下控制要求：
①、數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人配合完成物料的自動(dòng)上料與下料；
②、工作站具備緊急停止功能；
③、根據(jù)控制要求，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)打開關(guān)閉安全門、夾緊松開夾具的功能；
④、可以實(shí)現(xiàn)上下料工作過程的在線監(jiān)控功能。
２、軟件設(shè)計(jì)
為滿足機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、總控 ＰＬＣ三者之間信號(hào)交互的要求，需要對(duì)三者之間的Ｉ／Ｏ 地址進(jìn)行分配，并采用博圖軟件對(duì)總控ＰＬＣ進(jìn)行編程以及組態(tài)監(jiān)控。
２.１、ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
由于本設(shè)計(jì)中增加的卡盤、機(jī)床防護(hù)門要求總控與數(shù)控機(jī)床控制面板都能直接控制其開合，故數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ 與總控交互信號(hào)設(shè)定在 ＰＰ７２／４８Ｉ／Ｏ板的 Ｘ２２２接口上。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表１所示。機(jī)器人在上下料過程中需要與總控配合完成，總控在數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)器人之間起橋梁作用，機(jī)器人通過ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ機(jī)器人控制柜 ＸＳ１２、ＸＳ１３、ＸＳ１４、ＸＳ１５接口與總控進(jìn)行信號(hào)交互，總控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表２所示。
表１ 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
表２ 總控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
２.２、上下料總體流程
總控發(fā)出遠(yuǎn)程啟動(dòng)信號(hào)給加工單元，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸回到安全位置，數(shù)控系統(tǒng)暫停運(yùn)行，發(fā)送暫停信號(hào)給總控；總控接收暫停信號(hào)以及機(jī)器人請(qǐng)求放料信號(hào)，總控發(fā)送安全門打開與夾具松開信號(hào)給數(shù)控加工單元，數(shù)控系統(tǒng)打開安全門、松開夾具，并將門已開與夾具已松信號(hào)發(fā)送給總控；總控接收到門已開信號(hào)與夾具已松信號(hào)，并將允放信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人；機(jī)器人接收到允放信號(hào)后將工件放入機(jī)床，并回到安全點(diǎn)，發(fā)送放完成信號(hào)給總控；總控接到放完成信號(hào)后發(fā)送夾具夾緊與門關(guān)信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具夾緊，安全門關(guān)閉，并將夾緊信號(hào)與門已關(guān)信號(hào)發(fā)給總控；總控發(fā)送 ＣＮＣ繼續(xù)運(yùn)行信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，加工完成后，發(fā)送加工完成信號(hào)給總控；總控接到加工完成信號(hào)，發(fā)送門開與夾具松開信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具松開，安全門打開，并將夾具松開信號(hào)與門已開信號(hào)發(fā)給總控；總控接到夾具松開信號(hào)與門已開信號(hào)，發(fā)送允取信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人將工件取出，回到安全點(diǎn)，并將取完成信號(hào)發(fā)送給總控；總控接到取完成信號(hào)，將關(guān)門信號(hào)與夾緊信號(hào)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。
３、工作站遠(yuǎn)程監(jiān)控界面組態(tài)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)軟件采用西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ，與西門子ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７－１２００（ＣＰＵ１２１２Ｃ）建立通信連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站自動(dòng)上下料過程的在線監(jiān)控，生動(dòng)、直觀地展現(xiàn)機(jī)械手上下料動(dòng)態(tài)過程，便于技術(shù)維修人員盡快定位故障點(diǎn)、排除故障；另外學(xué)生在觀察上下料內(nèi)部過程及 ＰＬＣ的運(yùn)行狀態(tài)后，可增強(qiáng)其對(duì)工作站的了解。
３.１、工程建立及通信配置
ＷｉｎＣＣ項(xiàng)目創(chuàng)建首先打開博圖軟件，在項(xiàng)目樹中點(diǎn)擊【項(xiàng) 目 】，【添 加 新 設(shè) 備 】，選 擇 【ＰＣ 系 統(tǒng) 】中 的【ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ】，點(diǎn)擊添加；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，給添加的模塊配置通信模塊———“常規(guī)ＩＥ”；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，單 擊 上 方 的 【連 接 】選 項(xiàng)，通 過 拖 拉 將【ＷｉｎＣＣ模塊的ＩＥ接口】連接到【ＰＬＣ的 ＰＲＯＦＩＮＥＴ接口】上即可完成通訊配置。在控制面板下，單擊右上方的搜索框，輸入 ＰＧ，點(diǎn)擊設(shè)置【ＰＧ／ＰＣ 接口】，在配置 窗 口 中 打 開 【下 拉 菜 單 】，選 擇 【Ｓ７ＯＮＬＩＮＥ（ＳＴＥＰ７）】選項(xiàng)，然后在下方窗口中選擇【電腦網(wǎng)卡型號(hào)的 ＴＣＰ／ＩＰ．ＡＵＴＯ．１】，點(diǎn)擊左下方確定完成配置。
３.２、添加畫面
在項(xiàng)目視圖【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】下，打開【畫面】選項(xiàng)，添加新畫面，選擇畫面右鍵【重命名】畫面名稱，同時(shí)設(shè)置畫面大 小。選中 要 更改的畫面，右鍵選擇【動(dòng)態(tài)化總覽】，在【周期】的選項(xiàng)中將時(shí)間周期改為２５０ｍｓ。
３.３、建立組態(tài)連接
將 上 下 料 裝 置 監(jiān) 控 畫 面 內(nèi) 的 各 種 對(duì) 象 分 別 與ＰＬＣ變量之間建立關(guān)系，當(dāng)ＰＬＣ變量值（上料與下料動(dòng)作）改變時(shí)，在畫面上能夠直觀地看到圖形對(duì)象的動(dòng)畫效果。
３.４、運(yùn)行調(diào)試
右擊【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】，在 跳出的菜單中選中【開始仿真】，點(diǎn)擊即可跳出仿真頁面。圖 ２為上下料工作站的信號(hào)監(jiān)控界面，可以監(jiān)控安全門（打開、關(guān)閉）、夾具運(yùn)動(dòng) （夾緊、松開）、機(jī)械手快換（夾緊、松開）、數(shù)控系統(tǒng) （運(yùn)行、暫停）等動(dòng)作的執(zhí)行。圖３為上下料工作站的流程監(jiān)控頁面，可以對(duì)整個(gè)上下料過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖２. 上下料工作站的信號(hào)監(jiān)控界面
４、結(jié)束語
本方案設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料工作站結(jié)構(gòu)簡單，不但能夠滿足學(xué)生對(duì)上下料流程的 Ｓ７－１２００的編程實(shí)訓(xùn)，學(xué)生還可以利用 ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌ編程軟件編寫機(jī)床側(cè)數(shù)控 ＰＬＣ，完成對(duì)數(shù) 控 系統(tǒng) ＰＬＣ 的 技術(shù)改造。實(shí)踐證明，該裝置實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)今后的教學(xué)工作以及自動(dòng)生產(chǎn)線的改造具有參考意義。
圖３. 上下料工作站流程監(jiān)控界面
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