閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

康傳勇，汪木蘭，季 穎，殷 俊

(1.南京嘉璽數(shù)控科技有限公司，江蘇 南京 211800)(2.南京工程學(xué)院江蘇省先進(jìn)數(shù)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

機(jī)械加工目前正朝著高效率、高質(zhì)量及高能效的制造方向發(fā)展，相應(yīng)的機(jī)械加工設(shè)備也由單機(jī)向成套自動(dòng)生產(chǎn)線發(fā)展[1]。采用自動(dòng)化生產(chǎn)線能使全部生產(chǎn)過程保持高度連續(xù)性，并顯著縮短生產(chǎn)周期、減少工序間的在制品數(shù)量和簡(jiǎn)化工作。自動(dòng)化生產(chǎn)線在整合傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)上，再設(shè)計(jì)配套的機(jī)器人控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)加工的自動(dòng)化[2]。流程型自動(dòng)加工生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控使得生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平得到了提高[3]。監(jiān)控環(huán)節(jié)主要包括生產(chǎn)過程、工藝設(shè)備和傳動(dòng)系統(tǒng)，其中，生產(chǎn)過程利用電磁傳感及激光檢測(cè)技術(shù)智能監(jiān)控物料輸送和加工流程，夾具采用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[4-5]。作為閥門組件的關(guān)鍵元件，閥體在閥門配套設(shè)備中加工難度較高。傳統(tǒng)的閥體加工生產(chǎn)線勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高，型號(hào)為F15204的閥體以往采用機(jī)床加工和人工上下料的方式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低下且生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量鑄鐵灰塵有損工人健康，實(shí)現(xiàn)閥體加工自動(dòng)化已成為企業(yè)發(fā)展的迫切需求。

1 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

F15204閥體自動(dòng)生產(chǎn)線由3臺(tái)雙面銑床、1臺(tái)廣數(shù)RB20機(jī)器人、PLC(可編程邏輯控制器)系統(tǒng)控制器和上下料輸送裝置等構(gòu)成，如圖1所示。F15204閥體自動(dòng)生產(chǎn)線采用以機(jī)器人為傳送中心的U型布局，方便自由轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)。雙面銑床可同時(shí)加工工件的兩個(gè)表面，加工效率高，該生產(chǎn)線采用的ZHX-400A型雙面銑床，加工工件最大長(zhǎng)度為800mm，最大寬度為400mm，重復(fù)定位精度和銑兩側(cè)平行度均能保證在0.05mm以內(nèi)；廣數(shù)RB20機(jī)器人有6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，通過按動(dòng)示教編程器上的軸操作鍵，使機(jī)器人的軸產(chǎn)生所需動(dòng)作；采用信捷PLC作為系統(tǒng)控制器，由相應(yīng)指令程序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)控制要求；上下料輸送裝置裝有光電感應(yīng)開關(guān)，可以根據(jù)檢測(cè)情況控制上下料機(jī)的動(dòng)作；專用夾具和電氣控制柜采用自制設(shè)備。

圖1 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線布局

閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)將生產(chǎn)工序劃分為3道，分別加工工件的前后、上下和左右側(cè)面，生產(chǎn)線加工節(jié)拍時(shí)間軸如圖2所示。機(jī)器人通過上料輸送臺(tái)傳送毛坯件，行至工序1夾具，取下工位1加工完成的工件，裝上毛坯件→機(jī)器人帶著工序1加工好的工件行至工序2夾具，取下工序2完成的工件，放上工序1的工件→機(jī)器人帶著工序2加工好的工件行至工序3夾具，取下工序3完成的工件，放上工序2的工件→最后將加工好的工件放入下料輸送臺(tái)。

圖2 加工節(jié)拍時(shí)間軸

生產(chǎn)過程采用異步傳送方式，在每個(gè)工位前面設(shè)置等待緩沖區(qū)，當(dāng)某一工位出現(xiàn)短暫性故障時(shí)，機(jī)器人于緩沖區(qū)等待，在故障處理完畢后繼續(xù)運(yùn)行，不影響生產(chǎn)過程進(jìn)行。按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)運(yùn)行過程如圖3所示。

圖3 閥體生產(chǎn)線運(yùn)行流程

2 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)電氣要求

閥體自動(dòng)生產(chǎn)線的運(yùn)行方式主要分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)方式為常用模式，手動(dòng)方式用電磁閥設(shè)置銑床夾具與機(jī)器人手爪的松緊和吹氣動(dòng)作。自動(dòng)生產(chǎn)線配備有觸摸屏，人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線運(yùn)行方式、設(shè)備參數(shù)、I/O狀態(tài)和工作進(jìn)度等情況，供管理者實(shí)時(shí)查詢。生產(chǎn)線在工作過程中出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警燈發(fā)出警報(bào)，單個(gè)工位甚至整條生產(chǎn)線會(huì)停止運(yùn)行，故障處理完畢后警報(bào)解除，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；如果生產(chǎn)線遇到緊急情況，雙面銑床和上下料傳送裝置配備的急停按鈕可以停止相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行，此外整套控制系統(tǒng)也有急停按鈕確保生產(chǎn)過程的安全性。

2.2 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)

該閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人由本身集成的控制器進(jìn)行控制，為保證整條生產(chǎn)線正常工作，需要通過PLC系統(tǒng)掌控各個(gè)設(shè)備工作的先后順序。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求和擴(kuò)展需求，F(xiàn)15204閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的PLC控制單元采用信捷XC系列CPU，擴(kuò)展模塊型號(hào)為XC-E16X16YT-E，控制系統(tǒng)輸入/輸出信號(hào)地址分配情況見表1、表2。

表1 控制系統(tǒng)輸入信號(hào)地址分配

PLC的CPU單元向外部設(shè)備傳送輸出信號(hào)，發(fā)出動(dòng)作指令，傳感器將外部設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給CPU，構(gòu)成控制回路。為了便于用戶直觀了解生產(chǎn)過程和設(shè)定控制參數(shù)，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)配備了TG765-MT型號(hào)的觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；基于RS-232串口建立CPU與上位機(jī)的通訊連接，實(shí)現(xiàn)可視化加工。

表2 控制系統(tǒng)輸出信號(hào)地址分配

2.3 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件體系設(shè)計(jì)

閥體自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)基于編程軟件開發(fā)用戶管理系統(tǒng)。人機(jī)界面顯示PLC開關(guān)量狀態(tài)和寄存器變量值，通過監(jiān)控畫面向PLC發(fā)出命令，并修改PLC寄存器參數(shù)，如圖4所示。

上位機(jī)主界面顯示各個(gè)銑床、機(jī)器人和上下料裝置等設(shè)備的狀態(tài)。主界面底部設(shè)有密碼登錄、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警列表、手動(dòng)操作、I/O狀態(tài)和退出登錄等6個(gè)界面，按鍵即可進(jìn)入相應(yīng)界面進(jìn)行設(shè)置與查詢。參數(shù)設(shè)定界面用于設(shè)置銑床和機(jī)器人夾具的電磁閥延時(shí)參數(shù)；手動(dòng)操作界面可手動(dòng)調(diào)整各個(gè)夾具的松緊狀態(tài)和氣動(dòng)閥門的開關(guān)狀態(tài)；報(bào)警列表顯示當(dāng)前報(bào)警內(nèi)容，主要報(bào)警內(nèi)容見表3；I/O狀態(tài)界面顯示主控柜PLC各輸入輸出信號(hào)狀態(tài)，可根據(jù)信號(hào)狀態(tài)判斷機(jī)器是否出現(xiàn)故障。在產(chǎn)品計(jì)數(shù)模塊的數(shù)值預(yù)置中輸入加工零件的數(shù)量(預(yù)置值最低為5)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置值減3時(shí)，按下清料按鍵，清料指示燈亮，開始清料，機(jī)器人不再從上料機(jī)取料，雙面銑床上已完成部分工序的零件放入下一道工序繼續(xù)加工。加工完成后，當(dāng)前計(jì)數(shù)清零，清料指示燈滅，零件送至下料機(jī)。

表3 報(bào)警內(nèi)容

控制系統(tǒng)具有自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作和機(jī)器人操作等多種工作方式，采用匯編語言和C語言完成了整套控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。基于匯編語言設(shè)計(jì)的主程序控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，貫穿系統(tǒng)的啟動(dòng)到停止，完成工件上下料、機(jī)床與機(jī)器人夾具動(dòng)作、狀態(tài)顯示和報(bào)警列表等功能控制。C語言編寫的子程序計(jì)算并設(shè)定夾具電磁閥延時(shí)參數(shù)，控制電磁閥手動(dòng)操作。在機(jī)器人示教器中導(dǎo)入設(shè)計(jì)并調(diào)試好的閥體F15204加工程序，工作時(shí)選擇F15204程序即可自動(dòng)加工閥體。

3 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)測(cè)試

閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)各設(shè)備準(zhǔn)備就緒后需進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。依次打開主控柜、機(jī)器人電柜、雙面銑床電柜和送料機(jī)的電源，啟動(dòng)液壓站和控制臺(tái)觸摸屏，打開氣動(dòng)閥門。將3臺(tái)雙面銑床復(fù)位(回零)，循環(huán)運(yùn)行模式下將旋鈕旋至自動(dòng)方式，按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指示燈亮。隨后切換到手動(dòng)方式點(diǎn)動(dòng)控制，檢查夾具動(dòng)作是否正常，并將3臺(tái)雙面銑床所有夾具控制閥設(shè)為松開狀態(tài)。確保上料機(jī)工件擺放在最前段感應(yīng)位置后方，同時(shí)每一行需要擺滿2個(gè)工件，按下上料機(jī)電柜的啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行指示燈亮，上料機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)到零件時(shí)，上料機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人示教器執(zhí)行命令，松開兩個(gè)夾爪并歸零，在示教器上選擇F15204程序，倍率調(diào)到最低，執(zhí)行到指令“WAIT IN15 ,ON ,T0”時(shí)，程序開始等待主控柜啟動(dòng)信號(hào)。按下主控柜的啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指示燈亮，機(jī)器人程序繼續(xù)執(zhí)行，逐漸調(diào)大倍率，機(jī)器人取料，設(shè)備加工。以上為閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)測(cè)試過程，調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。運(yùn)行結(jié)果表明，該閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)構(gòu)造合理，可以實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)加工與上下料功能。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的F15204閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試成功，并應(yīng)用于工廠生產(chǎn)。使用結(jié)果表明，該閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)工藝流程安排合理，克服了勞動(dòng)強(qiáng)度大、功能單一和自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，縮短了加工過程中各工序之間的銜接時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。下一步的工作是增設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行工件合格性篩選，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否達(dá)到加工要求。同時(shí)，分析調(diào)試過程中出現(xiàn)的次品，找到生產(chǎn)過程的薄弱環(huán)節(jié)，合理改進(jìn)工位，降低次品率，提高生產(chǎn)線的可靠性。

圖5 閥體自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試