基于PLC控制的工業自動化生產線的設計

吳家龍 許光華 李清松 劉洪萊

(山東工業技師學院現代制造工程系，山東濰坊261053)

在國內大部分的中小型企業中，軸類工件的加工主要靠人工完成，對于需大批量生產的工件，工人的勞動強度大、效率低，企業產品質量不好保證，生產成本較高，因此，設計了一條自動生產線。由于PLC具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強維修方便、能耗低等優點，已廣泛應用在許多工業部門[1］。因此，該生產線基于西門子PLC控制系統，結合NACH1機器人和發那科數控車床開發而成，可實現軸類工件的自動上下料及加工。

1 工業自動化生產線的組成及工作過程

1.1 工業自動化生產線的組成

所需加工的工件根據工藝安排由四道工序組成，因此該自動生產線包括4臺CKA6140數控車床、4臺NACHI MC10S-01機器人、4個液壓工作站、2臺空氣壓縮機、1臺原料倉、3個輸送機構和1個成品倉組成。1臺機床和1臺機器人負責一道工序，工業機器人從原料倉抓取軸類毛坯件搬運至數控車床，經過四道工序的加工后，由工業機器人搬運至成品庫，各工序間通過工業機器人和輸送機構進行無縫連接，如圖1所示。

1.2 工作過程

由于四道工序的組成及原理類似，因此本文以工序一為例說明該工業自動化生產線的工作過程。

工序一主要用于完成毛坯的上下料及第一道工序的加工，其結構如圖2所示。

主要元件的功能如下:

料倉:用于毛坯的暫時存儲；

頂料氣缸:用于毛坯的定位；

旋轉送料機構:用于毛坯的送料；

廢料區:用于暫時存儲檢測錯誤或異常的毛坯；

骨架:用于工序一器件的安裝及支撐；

機器人控制器:用于控制機器人的運行；

操作面板:用于安裝元器件和操作系統；

控制柜:用于安裝元器件，同時起到防護作用。

其工作過程為:數控車準備(卡盤松開、尾座退回、防護門打開)→按下急停(急停燈亮)→松開急停(復位燈閃)→按下復位(復位燈亮)→復位完成(運行燈閃)→按下啟動(啟動燈亮)→機器人運轉準備→數控車循環啟動→系統運行→旋轉送料機構運行→工件檢測→頂料氣缸動作(工件到位)→機器人復位→機器人搬運工件至數控車(頂料氣缸動作完成)→卡盤夾緊→尾座伸出→機器人松開工件→機器人退出車床→防護門關閉→工件加工→防護門打開(加工完成)→機器人抓取工件→尾座縮回、卡盤松開→機器人搬運至下一工序。

2 控制系統輸入輸出分配

2.1 PMC輸入輸出分配

數控機床用PMC與外部的信號交換包括PMC與CNC的信號交換以及PMC與機床側的信號交換[2］。生產線中防護門、卡盤、尾座、加工以及機器人取放料信號都要預先進行分配。如表1所示。

表1 PMC輸入輸出分配

2.2 機器人I/O分配

機器人的輸入輸出通過CNIN和CNOUT電纜與相應的PLC輸出輸入連接。如表2所示。

表2 機器人I/O分配

2.3 PLC I/O分配

根據對系統功能要求的分析，該系統為開關量順序控制系統，共有21個輸入，17個輸出，考慮到成本及以后的功能擴展，選用SIMATIC S7-200 SMART可編程控制器CPU ST30及一擴展模塊EM DR16即可滿足要求。輸入輸出分配見表3。

3 程序的編寫

3.1 機床加工程序及PMC梯形圖的編寫

根據被加工工件的工藝安排在各臺機床上編寫加工程序，并在原有PMC梯形圖的基礎上，增加一部分，用來實現防護門、卡盤、尾座的相關動作，圖3為防護門開啟的梯形圖。

表3 PLC I/O分配

3.2 機器人程序的編寫

機器人程序主要用來實現工件的自動上下料，通過示教與再生完成機器人程序的編寫。可將其分解為若干個子程序，并在主程序中調用。主程序如下:

0 [START］

1 REM[“MAIN”］

2 CALLPI[12，I3］

3 CALLPI[4，I4］

4 CALLPI[14，I5］

5 JMP[2］

6 END

在示教過程中，為實現一個程序中反復使用同一點或不同程序分享同一點，并便于后期因加工工件的不同而更改機器人的位姿，使用姿勢文件對其進行編程。“姿勢文件”是由復數機器人位置(姿勢變量)構成的數據文件，使用“機器人語言”的MOVEX命令或應用命令“FN645 MOVEX”等指定其中的作業程序調用姿勢文件和姿勢變量。

3.3 PLC程序的編寫

PLC梯形圖主要實現機床和機器人之間的信號交換及生產線上各電動機、電磁閥、氣缸、按鈕、指示燈等的控制，是整個控制系統的核心。部分程序如圖4所示。

4 過程監控

MCGS具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點，采用MCGS組態軟件對工業過程進行控制，并從數據采集到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環節實現實時監測，保證了系統安全可靠地運行。其監視界面如圖5所示。

5 結語

該生產線對現有車床進行了改造，通過增設液壓站控制卡盤和尾座。采用NACHI機器人實現工件的自動上下料。整套裝置由PLC進行控制，通過機器人程序的編寫、PLC、機床PMC梯形圖的編寫實現機床與機器人之間的信號交互，并由MCGS進行組態，對生產過程進行監控。經試驗驗證該生產線能夠有效地代替人工上下料，實現軸類工件加工的自動化生產，且運行可靠、效率高。另外，根據被加工工件形狀的不同，只需改變機器人的手爪結構，調整一下機器人的位姿即可投入生產。因此，該生產線適用性較高，擴展能力強。