制動器殼體類零件的自動化生產線設計*

葉　寒，付　望，張　軍，劉　華，江　濤 ，戴　琳，何永林，吳　靚

(1.南昌大學 機電工程學院,南昌　330031；2.江西佳時特數控技術有限公司，南昌　330009)

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制動器殼體類零件的自動化生產線設計*

葉寒1，付望1，張軍2，劉華2，江濤2，戴琳2，何永林2，吳靚2

(1.南昌大學 機電工程學院,南昌330031；2.江西佳時特數控技術有限公司，南昌330009)

摘要：為解決某公司制動器殼體零件自動加工需求，設計了該零件的自動化大批量生產線。先分析零件各加工表面及要求，結合自動化需求并保證工序集中和工時平衡，設計了基于5臺立加和1臺立車的零件加工工藝；采用了物料輸送機和機器人來實現工件的自動上下料，示教模式編寫了機器人自動上下料的運動程序；采用PLC對自動化系統進行總體控制，定義了PLC與機床及機器人通信的I/O口地址，根據流程圖設計了PLC控制程序；最后利用觸摸屏對生產線中各個設備進行監控，使用戶能直觀的了解生產線的運行情況。經過試運行，該生產線運行穩定，并且零件的單件節拍約10min，滿足了客戶要求。

關鍵詞：自動化生產線；PLC；機器人；觸摸屏

0引言

隨著勞動力成本的增加，許多工廠已經意識到，要想提高生產效率，降低生產成本，必須從自動化生產著手，因此自動化生產線在工業生產中開始被廣泛應用。自動化生產線將傳統的數控機床整合起來，再設計配套的機器人控制系統，完成生產加工的自動化[1]。

某公司在對一種重約30公斤的制動器殼體零件加工中，仍采用傳統的人工進行搬運，裝夾，上下料。勞動強度大，需要的工人數多，生產效率低。該公司為了提高該零件的生產效率和降低勞動成本，提出了該零件的自動化大批量生產線的需求。

1零件的工序設計

該零件(圖1)有三個面需要加工，考慮機加工序排序原則和工時平衡因素，設計了6道工序。①加工底面、8-φ28，將其中2個φ28孔作為工藝孔；②半精鏜孔φ87及粗精銑上端面，鉆φ4孔；③粗精銑內框；④

圖1　制動器殼體零件圖

缸孔精加工；⑤鉆頂面深孔；⑥鉆斜油孔，φ3接通孔和粗精銑臺階面；

2生產線整體布局

該自動化流水線的設備配置如下：

①一臺立式數控車床；

②五臺立式加工中心，并帶有中心出水；

③兩臺機器人；

④兩條運輸線；

自動生產線分為A，B兩個區域，A區域有一臺機器人，3臺立式加工中心，一條運輸線；B區域有一臺機器人，2臺立式加工中心，一臺數控車床，一條運輸線。布局如圖2所示。

圖2　生產線現場布局圖

3控制方案設計

該自動化生產線中，數控機床和機器人由本身集成的控制器進行控制，為保證整條自動化生產線的正常工作，需要通過一個中央控制器控制設備的先后順序[2]。本次設計使用西門子S7-1500系列作為控制器，并通過觸摸屏TP1500進行監控(見圖3)。

圖3　各設備間的通信連接

PLC選用CPU 1513-1 PN，擴展模塊包括3組DI 32×24V DC直流輸入模塊和2組DQ 32×24V DC/0.5A直流輸出模塊。一共96點輸入和64點輸出。圖4為本次自動化生產線的PLC控制系統I/O連接圖中的一部分[3]。

機器人選用安川ES165D，機器人控制柜型號為DX100。該機器人有6個運動軸，通過按動示教編程器上的每個軸操作鍵，使機器人的每個軸產生所需的動作。機器人的移動命令記錄有移動到的位置、插補方式、再現速度等。為了使機器人能夠進行再現和遠程模式，就必須用示教操作把機器人運動命令編成程序。具體操作為：①在示教模式下編寫機器人上下料的運動程序，并保存；②在再現模式下對每一段的程序試運行；③在遠程模式，通過PLC的控制信號指定進行以下操作：接通伺服電源、啟動、調出主程序、設定循環等與開始運行有關的操作。

該自動化生產線控制系統的輸入信號來著多方面[4]：

①機床報警、運行、就緒信號，機床可上、下料信號，4號機床可旋轉工位信號；

②翻轉架上有、無料信號；

③液壓壓力開關信號；

④傳送帶手動、自動運行信號，急停、正轉、停止信號，零件已到位、已拿走信號，用于推正零件的氣缸位置信號；

⑤機器人，上、下料結束信號，4號機床旋轉工位結束信號，處于干涉區信號，伺服已接通信號，報警信號，遠程模式中信號；

⑥生產線，維修、自動模式信號，總控急停信號。如表1所示。

表1　自動化生產線控制系統輸入分配表

續表

輸出信號有：

①呼叫機器人A給傳送帶下料信號，呼叫機器人給機床上、下料信號，告訴機器人A翻轉架有料信號，呼叫機器人B給翻轉架下料信號，告訴機器人B零件已經離開信號，給4號機床旋轉工位信號，禁止機器人進入干涉區信號，機器人外部啟動、暫停、急停信號；

②傳送帶末端的氣缸頂出信號；

③呼叫機床上、下料信號，呼叫4號機床夾具旋轉信號。如表2所示。

表2　自動化生產線控制系統輸出分配表

圖4　PLC外部I/O連接圖(部分)

4控制系統編程

使用西門子公司的TIA Portal軟件對PLC進行編程與仿真，對觸摸屏的人機界面進行設計。

4.1程序設計

(1)根據生產線的控制要求，繪制A，B兩個區域的工藝流程圖。圖5為A區域流程。

圖5　A區域流程工藝流程圖

(2)設計程序結構，采用模塊化編程，將程序根據功能不同分為不同的邏輯塊，且每一邏輯塊完成的功能不同，其特點是易于分工合作，調試方便[5]。在本次自動化生產線的設計當中，根據設計要求，把PLC的應用程序分為27個模塊：包括6臺機床的控制模塊OB124、OB125、OB126、OB129、OB130、OB131，6臺機床的監控模塊OB123、OB132、OB136、OB133、OB134、OB135，產量及時間監控模塊OB138，傳送帶A的順序控制的功能塊FB3和數據塊DB3，傳送帶A的監控模塊OB137，傳送帶B的控制模塊OB128，傳送帶A的監控模塊OB140，翻轉架的控制模塊OB127，機器人A+B的互鎖和保護模塊OB141，總控柜的監控模塊OB142，循環主程序OB1，機器人A的功能塊FB2和數據塊DB2，機器人B的功能塊FB1和數據塊DB1[6]。

(3)編寫各模塊程序，通過TIA Portal V13軟件對PLC進行編程。例如在機器人A、B和傳送帶A的順序控制模塊中，采用GRAPH編程語言來編寫順序控制程序，S7 GRAPH以圖形化方式清晰的表明了控制的過程，調試方便。在編寫順序功能圖時需要3個塊：調用S7 GRAPH的塊、S7 GRAPH FB塊(描述順序控制的塊)和S7 GRAPH FB的背景數據塊[7]。機器人A的功能塊程序如圖6所示。

圖6　機器人A的功能塊程序

(4)程序的仿真，在TIA Portal V13軟件中，包含有SIMATIC STEP7 PLCSIM，可以對編寫的程序進行仿真，方便發現程序邏輯上的錯誤并進行修改。

4.2監控系統的設計

在TIA Portal V13，還集成有組態軟件SIMATIC WinCC version 13，可以對人機界面進行設計。人機界面最基本的功能是顯示PLC中的開關量的狀態和寄存器中的變量值，用監控畫面向PLC發出命令，并修改PLC寄存器中的參數。實現過程的可視化，顯示報警和記錄生產數據[8]。

本次柔性生產線設計上，觸摸屏TP1500與PLC1500建立MPI/DP連接，需要監控的信號如表3所示。

制作人機界面，要求顯示各機床的狀態，機器人的狀態，零件加工數，生產計劃，單件節拍，總控柜的狀態[9]，如圖7所示。

表3　監控信號分配表

圖7　觸摸屏監控畫面

5結論

本次設計的自動生產線，以PLC作為總控，實現了機床的自動加工，機器人的自動上下料和整條生產線的監控，經過試運行，該零件的單件節拍約10min，滿足用戶要求。

[參考文獻]

[1] 顏克輝,王家興,孔祥志.通過自動化加工生產線來發展零件的高效加工集成技術 [J].金屬加工(冷加工),2012(16):17-19.

[2] 曹著明.柔性生產線控制系統的研究與實踐 [J].職業,2012(2):117-118.

[3] 西門子公司.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 鄭鳳翼.西門子S7-200系列PLC應用100例子[M].北京:電子工業出版社,2012.

[5] 劉華波.西門子S7-1200 PLC編程與應用[M].北京:電子工業出版社,2011.

[6] 齊繼陽.基于PLC和觸摸屏的氣動機械手控制系統的設計[J].液壓與氣動,2013(4):19-22.

[7] 陳海霞.西門子S7-300/400 PLC 編程技術及工程應用[M].北京:機械工程出版社,2011.

[8] 廖常初.西門子人機界面(觸摸屏)組態與應用技術[M].北京:機械工程出版社,2011.

[9] 王建.觸摸屏實用技術[M].北京:機械工業出版社,2012.

(編輯李秀敏)

The Design of Automatic Production Line of Brake Housing Parts

YE Han1,FU Wang1,ZHANG Jun2,LIU Hua2,JIANG Tao2,DAI Lin2,HE Yong-lin2,WU Liang2

(College of Mechanical and Electrical Engineering,NanChang University, Nanchang 330031, China;Jiangxi Just Numerical Control Technology Co.,Ltd.,Nanchang 330009,China)

Abstract：An automatic production line of a brake housing part was designed to achieve automatic production．The production line composed of five machining center and one vertical lathe by analyzing the size accuracy and smooth of surface needed to be machined. Using the conveyor and robots to achieve automatic parts moving. The robots was programmed in the teaching mode. The PLC was using as a main controller for the production line. The communication protocol between machines, PLC and robots are defined. The PLC was programmed according to the flow chart of the process. A touch screen was using to monitor all the machine in the production line．The production line is reliable and stable by practice test. The processing time for each part is about 10 minutes within the custom′s requirement.

Key words：automatic production line;PLC;robot;HMI

中圖分類號：TH122；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：葉寒(1976—)，男，江西進賢人，南昌大學副教授，博士，研究方向為機械制造與自動化，(E-mail)nuaayehan@163.com。

*基金項目：南昌大學研究生創新專項資金資助(cx2015057)

收稿日期：2015-04-28

文章編號：1001-2265(2016)03-0115-05

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.032