基于柔性化泵軸產線的控制系統設計與實現

王緒晨

（蕪湖哈特機器人產業技術研究院有限公司，蕪湖 241000）

2015年，全球主要制造業大國紛紛提出未來制造業升級戰略，其中包括美國先進制造戰略、德國工業4.0以及中國制造2025。傳統的制造業產線升級勢在必行，能夠提高產品的產量，保證產品質量，減少一線操作人員數量，實現產品的柔性化生產。研究柔性化泵軸產線的控制系統設計，即研究泵軸從原材料進入生產線到制成品入庫的全過程控制系統控制設計與實現。

1 泵軸產線的控制系統組成

柔性化泵軸產線布局圖，如圖1所示。以S7-1200 PLC為主控制系統的泵軸控制系統包括走心機、銑扁機、打磨機、清洗機、CNC機器人、CNC、CNC夾具、打標機、校直機、碼垛機器人、傳輸裝置以及檢測傳感器。

柔性化泵軸產線工藝流程，如圖2所示。泵軸原材料進入走心機，將304不銹鋼棒料按訂單要求切斷，并車削螺紋；加工的半成品流入銑扁機，加工銑扁面；打磨機抓取完成銑扁面加工后的泵軸，打磨銑扁面上的毛刺；泵軸經傳送帶流入清洗機，完成泵軸的清洗工序；CNC機器人抓取傳送帶料架的泵軸，放入CNC完成銑扁裝配段精加工；加工后CNC機器人，根據控制信號放入到轉運料架或人工抽檢料架；碼垛機器人的主要任務是抓取轉運料架上的泵軸打標，放入校直機中檢測和校直，按照預定程序完成泵軸碼垛。

圖1 柔性化泵軸產線布局圖

2 控制系統硬件設計

泵軸產線系統的硬件結構如圖3所示，包括走心機、銑扁機、打磨機、清銑機、CNC、CNC夾具、激光打標及泵軸校直機等硬件設備。執行機構生產訂單由工控機確定。PLC為具體執行的閉環控制系統，能夠完成產線系統的控制和產線故障反饋。

2.1 走心機模塊

走心機為成熟的單機系統，其數控系統為廣州數控系統，留有外接口。PLC系統通過TCP/IP協議進行信息的實時交互，實現下單和控制。走心機將304不銹鋼軸料初加工，分割成訂單要求的長度，然后進行精車泵軸、精車裝配螺紋以及打軸孔等。

2.2 銑扁機模塊

銑扁機為成熟的單機模塊，其控制系統為三菱PLC系統，利用預留的TCP/IP協議實現泵軸系統與該設備的通信交互。銑扁機負責加工泵軸兩邊銑扁。銑扁面是泵軸安裝葉輪部分，加工精度要求為Φ14P6。

2.3 打磨機

打磨機屬于產線配套定制設備，采用與產線相同的西門子S7-1200 PLC系列，使用Profinet協議，減少了系統間的I/O交互，節約了設計成本。

2.4 CNC機床

CNC機床使用的是斗山機床，信號交換與控制直接使用加工中心預留的TCP/IP協議，控制CNC開啟加工，并在加工完成后進行反饋、CNC故障顯示等。該部分能夠完成泵軸銑扁面根部加工，加工精度較高。

2.5 CNC夾具

CNC夾具為泵軸產線系統的定制夾具，用于固定加工的泵軸，如圖4所示。夾具的控制系統采用西門子S7-1200 PLC系列，使用Profinet協議。

圖4 CNC夾具圖

2.6 激光打標機及校直機

激光打標機打標的文字由上位機發送，通過預留的I/O完成與PLC的交互。校直機采用的三菱PLC控制系統，利用預留的TCP/IP協議實現泵軸系統與該設備的通信交互，以檢驗生產的泵軸是否符合質量要求，并校直不合格的泵軸。

3 控制系統的程序設計

3.1 產線控制

泵軸產線的控制程序使用西門子博圖V15編程軟件串聯所有單機設備和定制設備的控制系統，控制流程如圖5所示。控制系統程序設計包括輸入輸出I/O分配、通信網絡、工業智能屏交互界面以及控制系統程序。

3.2 I/O以及交互數據數量

泵軸產線的控制系統采用S7-1200 PLC系列，輸入輸出I/O外接模組拓展方便。泵軸產線主控制系統輸入接口共有222個，輸出接口有168個。泵軸產線主控制系統網絡數據交互共116個字節

3.3 通信網絡設計

采用S7-1200 PLC控制整個產線生產，采用S7協議，處理工控機下發的訂單，實時生產數據上傳到工控機。基于S7協議完成PLC和觸摸屏顯示界面的交互操作。基于TCP/IP協議采集走線機、銑扁機、CNC和校直機的相關設備數據，使用設備預留的I/O信號實現銑扁機的自動化生產控制。ABB機器人提供Profinet協議，而數控夾具和打磨機使用S7-1200 PLC，采用Profinet協議，方便數據傳輸和減少I/O控制。網絡結構如圖6所示。

3.4 工業智能屏交互界面設計

如圖7所示，泵軸產線系統采用HMI觸摸屏作為輸入設備。交互主界面包括I/O監控、生產參數、報警記錄以及權限登錄。I/O監控用于檢視各個輸入輸出點的狀態值。生產信息包括生產的泵軸標識字段、泵軸總長L1、螺紋段長度L2、銑扁面長度L2-1、CNC銑扁面長度L3、軸臺階長度L4、光軸段長度。報警記錄能夠記錄系統運行中出現的報警信息。權限登錄可以獲得更多的操作功能。

圖5 泵軸產線生產流程圖

圖6 泵軸網絡結構圖

圖7 智能交互界面

4 主控程序設計

第一，PLC收到上位機的訂單信息，確認產線全部準備就緒后，通過TCP/IP協議調用走心機和銑扁機泵軸加工程序。第二，雙限位傳感器檢測到判斷出輸出泵軸的長度數據。雙限位檢測能夠確保設備獲取的實時泵軸長度的準確性，提高設備實際執行的安全性，以防止非規定訂單的軸混入。打磨機給出相應的加工策略，完成泵軸的打磨。第三，ABB機器人也采用雙限位，判讀出抓取的軸長度，從而調用機器人對應的抓取策略。第四，CNC夾具運動到泵軸加工等待位，泵軸放入到CNC夾具，機器人退到安全位置，CNC收到可以加工信號，開啟加工程序。第五，完成CNC銑扁面加工，機器人取出泵軸，放入周轉臺等到矯直機機器人取軸。矯直機器人將泵軸放入打標機內打標，待打標結束，放入矯直機中矯直。第六，總控PCL使用TCP/IP協議完成對矯直機支持程序的調取和矯直過程的數據傳輸。第七，矯直機機器人根據總控給出信號，將檢測矯直合格的泵軸放入周轉料框，不合格的放入回收料框等待周轉料框放滿后由AGV小車將周轉料框拉入倉庫。第八，總控PLC會將實時加工數據傳輸到上位機，上位機會將這些生產數據傳輸到企業ERP系統。總控部分PLC如圖8所示。

圖8 總控部分PLC程序結構

5 泵軸產線總控實踐

泵軸產線主控系統控制單機設備多且雜，如走心機、銑扁機、打磨機、清銑機、工業機器人、CNC、CNC夾具、激光打標以及泵軸校直機等，給產線運行維護帶來了巨大壓力。通過長時間測試、投產運行和不斷優化控制程序，設備能夠穩定生產，保證了泵軸生產的質量。柔性化泵軸產線生產如圖9所示，完成全部流程碼垛如圖10所示。實際生產測試中，泵軸長度≤800 mm時，60 s生產一根泵軸；泵軸長度＞800 mm時，一根泵軸的生產時間小于80 s。可見，它能夠達到設計要求，保證泵軸生產效率為每天1 000根。

圖9 泵軸產線

圖10 機器人碼垛

6 結語

柔性化泵軸產線能夠完成124～1 090 mm泵軸柔性化生產，泵軸長度跨度達966 mm，滿足242種型號的泵軸生產，實現了泵軸柔性化生產目標。傳統機械加工企業轉型為智能制造企業，實現了產線的無人化，降低了企業用人成本，提升了企業智能化水平和產品制造競爭力。