基于CC—Link總線的FMS物流運(yùn)輸線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)木
2016-8-17 來源：順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東鍛壓機(jī)床廠有限公 作者：王鴻博 羅勇武 阮衛(wèi)平 王寶平
摘要：隨著工廠自動(dòng)化水平的提高，柔性FMs生產(chǎn)線在制造類企業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，基于各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工廠網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化也逐漸普及。介紹廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司大型FMs柔性生產(chǎn)線的數(shù)控化改造及物流系統(tǒng)改造，重點(diǎn)介紹了cc—Link現(xiàn)場(chǎng)總線在FMs中的應(yīng)用，給出了FMs的具體構(gòu)成、工藝特點(diǎn)、控制流程及控制特點(diǎn)。改造后的FMs生產(chǎn)線運(yùn)行效果良好，極大提升了鍛壓箱體加工效率，提高了產(chǎn)能。減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：FMs；cC—Link；制造自動(dòng)化；制造業(yè)信息化；數(shù)控化改造
隨著制造業(yè)信息化管理與制造自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以多臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線(FMS)逐漸在裝備制造類行業(yè)普及。廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司引進(jìn)一條大型柔性FMS加工生產(chǎn)線，并對(duì)生產(chǎn)線中的5臺(tái)數(shù)控加工中心進(jìn)行數(shù)控化改造，改造后的數(shù)控系統(tǒng)均采用FANUCl8iMB和FANUC0iMC系統(tǒng)。該FMS生產(chǎn)線主要用于大型鍛壓設(shè)備箱體類加工，不同噸位的鍛壓機(jī)床箱體經(jīng)過焊接成形后，需對(duì)箱體表面、導(dǎo)軌面、軸孔、基座平面等進(jìn)行粗、精加工。傳統(tǒng)的加工方法是通過大型吊車對(duì)待加工件通過吊裝安裝至加工工作臺(tái)上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不同加工工藝需要更換機(jī)床時(shí)，需要二次吊裝定位，造成二次裝夾定位精度不準(zhǔn)確現(xiàn)象，影響箱體整體加工精度。為此，該公司設(shè)計(jì)一條柔性物流輸送系統(tǒng)，通過物流輸送車對(duì)被加工箱體進(jìn)行輸送并轉(zhuǎn)運(yùn)到各加工工位工作臺(tái)上，整個(gè)過程一次裝夾定位，有效提升了被加工箱體裝夾定位精度、提高了加工效率。
本文針對(duì)廣鍛柔性FMS物流系統(tǒng)的組成及工藝要求，詳細(xì)介紹了FMS生產(chǎn)線物流系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出制造信息化管理與產(chǎn)品加工物流系統(tǒng)設(shè)備層的信息流關(guān)系。
1、FMS物流系統(tǒng)的構(gòu)成
1．1 FMS物流系統(tǒng)的組成
廣鍛鍛壓FMS系統(tǒng)由一條物流輸送線和五個(gè)數(shù)控加工工位組成，系統(tǒng)包含兩臺(tái)物流輸送小車、4臺(tái)大型落地鏜銑加工中心及一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖l所示。該FMS柔性生產(chǎn)線主要用于大型鍛壓設(shè)備箱體加工與測(cè)量，由于鍛壓設(shè)備箱體自重一般在10～40t左右，箱體在加工時(shí)需要在多臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行加工，箱體在不同機(jī)床上裝夾定位過去采用吊裝方式進(jìn)行，無論是安全性、定位精度還是裝夾效率等方面都比較低下，因此采用FMS物流輸送系統(tǒng)，通過在物流小車上一次定位后，由物流小車將定位托盤分別輸送到各加工工位。為提高加工效率，各加工工位與物流輸送線之間由待交換區(qū)和交換工作區(qū)兩部分構(gòu)成，如圖1所示。
圖l 廣鍛FMs柔性加工生產(chǎn)線系統(tǒng)組成
1．2物流運(yùn)輸小車
整條物流運(yùn)輸線長(zhǎng)達(dá)120余米(如圖2所示)，兩臺(tái)物流運(yùn)輸小車運(yùn)行于各工位之間；物流小車自重達(dá)lO t左右，裝載的待加工箱體在10～40 t左右，小車由大功率變頻器和減速裝置驅(qū)動(dòng)運(yùn)行；小車定位由運(yùn)輸線兩側(cè)各設(shè)置的紅外線測(cè)距儀進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定位誤差±0．5 mm，運(yùn)行速度為500 mrIl／min。物流小車上有裝備有導(dǎo)軌、兩個(gè)液壓缸和四個(gè)定位銷(液壓缸組成)，四個(gè)定位銷用于托盤工作臺(tái)在小車上的鎖緊；兩個(gè)液壓缸用于裝載托盤工作臺(tái)，如圖3所示。當(dāng)物流小車在運(yùn)輸線的裝載區(qū)域時(shí)，由吊車將待加工箱體進(jìn)行吊裝至托盤工作臺(tái)上，并進(jìn)行定位鎖緊，根據(jù)工藝要求，由物流小車輸送至指定工位，再由裝載液壓缸推送托盤工作臺(tái)至交換區(qū)，經(jīng)交換區(qū)轉(zhuǎn)載至機(jī)床工作臺(tái)上。
圖2 物流小車及輸送
圖3物流小車結(jié)構(gòu)
1．3物流交換工作臺(tái)
物流交換工作臺(tái)的主要作用是連接機(jī)床工作臺(tái)與運(yùn)輸小車的過渡裝置，如圖4所示。當(dāng)物流小車裝載待加工箱體至指定工位后，由物流小車上裝載液壓缸推動(dòng)托盤工作臺(tái)移動(dòng)至物流交換工作臺(tái)區(qū)，物流交換工作臺(tái)上裝載液壓缸1將托盤工作臺(tái)移動(dòng)至待交換區(qū)，裝載液壓缸2推動(dòng)托盤工作臺(tái)至機(jī)床工作臺(tái)上；當(dāng)托盤工作臺(tái)移至機(jī)床工作臺(tái)后，由機(jī)床工作臺(tái)上四個(gè)液壓定位銷進(jìn)行定位，并由四個(gè)液壓鎖緊銷釘進(jìn)行鎖緊，至此托盤工作臺(tái)及托盤上箱體固定在機(jī)床工作臺(tái)上。交換后的托盤工作臺(tái)如圖5所示。
圖4 托盤交換裝置結(jié)構(gòu)實(shí)幽
圖5 裝載箱體父換完成實(shí)幽
2、FMS物流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1物流系統(tǒng)的控制要求
根據(jù)廣鍛FMS生產(chǎn)線工藝要求，物流管理系統(tǒng)對(duì)五個(gè)托盤工作站，五臺(tái)機(jī)床和兩臺(tái)物流車進(jìn)行設(shè)備層聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物流車、托盤工作站、加工機(jī)床之間的合理配合，完成工件的自動(dòng)／手動(dòng)物流。同時(shí)設(shè)置中控室對(duì)物流線狀況進(jìn)行監(jiān)控和管理。系統(tǒng)的主要控制要求如下：
(1)系統(tǒng)具有下達(dá)生產(chǎn)工藝管理文件功能；
(2)系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)化且運(yùn)輸線、各工位數(shù)控加工中心之間信息交換準(zhǔn)確；
(3)物流輸送小車運(yùn)行高效、定位準(zhǔn)確；
(4)物流輸送小車與交換工作臺(tái)、各數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)之間的上下料交換準(zhǔn)確、效率高；
(5)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)控制簡(jiǎn)單易行，整個(gè)運(yùn)輸線的運(yùn)行可監(jiān)控；
(6)整個(gè)物流系統(tǒng)可進(jìn)行手動(dòng)／自動(dòng)運(yùn)行控制方式。
2．2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．2．1 CC—Link總線網(wǎng)絡(luò)組成
系統(tǒng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)選用三菱Q系列CC—Link總線系統(tǒng)，是日本三菱公司主推的開放型現(xiàn)場(chǎng)總線㈣。cc—Link總線最高通信速度可達(dá)10 Mbit／s，該速度可在不影響機(jī)器控制速度的同時(shí)允許大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信：主站與從站之間的距離最長(zhǎng)可達(dá)112 km。
系統(tǒng)CC—Link網(wǎng)絡(luò)由主站(三菱Q系列PLC)和五個(gè)托盤從站(遠(yuǎn)程數(shù)字I／O站)組成；主站與從站由主從通信模塊完成。由于系統(tǒng)各站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，主站與從站均連接在一根雙絞線上，主站靠地點(diǎn)來辨識(shí)從站，每個(gè)從站編寫不同站號(hào)地址，只有主站發(fā)送的信息在相同站號(hào)下方可接受；CC—Link現(xiàn)場(chǎng)總線有自動(dòng)更新參數(shù)功能，即Q系列PLC內(nèi)部原件區(qū)域的數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)傳輸?shù)剿羞h(yuǎn)程I／0中，各從站遠(yuǎn)程I，O的數(shù)據(jù)也會(huì)被收入到指定的Q系列PLC中，從而保證了信息傳遞的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)的CC—Link網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。
該FMs物流輸送系統(tǒng)以Q系列PLC作為主站，通過CC—Link現(xiàn)場(chǎng)總線與各遠(yuǎn)程I／O站、運(yùn)輸小車PLC等進(jìn)行數(shù)字通訊，協(xié)調(diào)控制運(yùn)輸小車至各工位，進(jìn)行托盤裝載和卸載，完成設(shè)備層的物流信息交換。
圖6 FMS物流輸送系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D
2．2．2物流系統(tǒng)硬件改造方案
FMs柔性生產(chǎn)線的重點(diǎn)在于設(shè)備層各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制與物流的準(zhǔn)確定位。物流小車通過輸送線將托盤工作區(qū)(遠(yuǎn)程I／O)上載有工件的托盤輸送至加工工位，并通過托盤交換區(qū)與機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行交換；由于物流運(yùn)輸小車、待加工工件均屬重載，系統(tǒng)要求物流運(yùn)輸小車運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確。因此物流小車由單獨(dú)從站PLC進(jìn)行控制、各托盤工作站由遠(yuǎn)程I／O協(xié)調(diào)控制。生產(chǎn)線距離長(zhǎng)達(dá)120 m，若采用常規(guī)方法，需要增大電纜敷設(shè)費(fèi)用，因此采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式與從站PLC和遠(yuǎn)程I／O進(jìn)行連接，提高了系統(tǒng)的可靠性、減少了連接電纜的數(shù)量，同時(shí)采用CC—Link網(wǎng)絡(luò)可方便系統(tǒng)的擴(kuò)展。
本系統(tǒng)采用三菱Q系列PLC及擴(kuò)展模塊(如表l所示)，由三菱Q系列PLC(Q02HCPU)組成主站，通過CC—LINK現(xiàn)場(chǎng)總線模塊QJ61BTllN與五個(gè)托盤工作站通訊。每個(gè)托盤工作站為64點(diǎn)輸入64點(diǎn)輸出，組成遠(yuǎn)程I／0站，分別由兩個(gè)遠(yuǎn)程I／O輸入模塊(AJ65sBTBl—32D)和兩個(gè)遠(yuǎn)程I／O輸出模塊(AJ65sBTBl—32T)組成。每個(gè)物流車上安裝三菱Fx2N一128MT—001 PLC，使用RS232一C通訊接口模塊經(jīng)過紅外無線傳輸設(shè)備與主站PLC通訊。紅外無線傳輸設(shè)備選用上海倍加福的數(shù)據(jù)傳輸光電傳感器DAD30一RT／35。采用Rs一232傳輸方式分別連接主站PLC和小車站PLC，實(shí)現(xiàn)主站和小車站之間的通訊。上位機(jī)與主站通過編程口進(jìn)行通訊。上位機(jī)選用研華工控機(jī)。上位機(jī)通過以太網(wǎng)與生產(chǎn)線控制系統(tǒng)上位機(jī)通訊，可從生產(chǎn)線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中調(diào)出加工流程。上位機(jī)編制用戶使用界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控物流線狀態(tài)(小車運(yùn)動(dòng)情況，托盤工作站情況，工件線內(nèi)傳送加工情況)以及生成、下發(fā)、保存、調(diào)出工件加工流程。
QJ61BTllN模塊作為CC—Link主站模塊，專用的AJ65SBTBl—32D和AJ65SBTBl—32T作為遠(yuǎn)程輸入與輸出模塊，物流小車PLc作為從站PLC構(gòu)成CC—Link網(wǎng)絡(luò)。三菱Q系列PLC具有上電自動(dòng)在線和自動(dòng)屏蔽出錯(cuò)站等功能，能很容易實(shí)現(xiàn)總線連接及通信可靠性測(cè)試，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大方便。
如圖6所示，主模塊QJ61BTllN負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)總線物流小車PLC從站通信，根據(jù)工序要求下達(dá)物流小車運(yùn)輸運(yùn)動(dòng)位置，并發(fā)送裝載或卸載控制信號(hào)；AJ65SBTBl—32D和AJ65SBTBl—32T作為遠(yuǎn)程輸人與輸出模塊，實(shí)現(xiàn)五個(gè)托盤工作位、托盤交換工作區(qū)、機(jī)床工作臺(tái)裝載I／O等各種開關(guān)量信號(hào)映射到主控PLc的映像寄存器中。
表1 控制系統(tǒng)硬件類型
2．3 FMS物流輸送控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．3．1 FMS物流系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)
FMs柔性鍛壓設(shè)備生產(chǎn)線系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、管理系統(tǒng)組成。四臺(tái)加工中心與一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)組成加工系統(tǒng)；輸送線物流小車與托盤工作站組成物流系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)及其上運(yùn)行的調(diào)度管理軟件組成管理系統(tǒng)。如圖7所示。在FMS系統(tǒng)中，F(xiàn)MS調(diào)度管理是最困難的問題之一【3。1，F(xiàn)MS系統(tǒng)的物流調(diào)度要求實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及高效性，要根據(jù)系統(tǒng)不同加工機(jī)床的特點(diǎn)、待加工零件的工藝要求、待加工零件的數(shù)量等實(shí)時(shí)合理安排，才能提高FMS調(diào)度管理效率。
圖7 FMS輸送線物流調(diào)度策略架構(gòu)
2．3．2 FMs物流輸送控制流程設(shè)計(jì)
(1)物流系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)
物流系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)置組態(tài)畫面，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示物流線的狀態(tài)。包括物流小車的當(dāng)前狀態(tài)，托盤工作站和機(jī)床的狀態(tài)，上下料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況，物流線上工件加工的進(jìn)程和位置以及遠(yuǎn)程I／O站和小車站的工作狀況。組態(tài)畫面中設(shè)置物流線急停軟鍵，物流線啟動(dòng)軟鍵，上位機(jī)還應(yīng)通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)上位機(jī)的必要通訊(如從生產(chǎn)管理系統(tǒng)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中調(diào)取加工程序、加工流程等)。
(2)物流系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)
圖8 物流系統(tǒng)控制流程
物流系統(tǒng)控制軟件流程如圖8所示。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)具備自動(dòng)和手動(dòng)控制功能，手動(dòng)功能用于系統(tǒng)各工位的調(diào)整與維護(hù)，自動(dòng)功能用于全線自動(dòng)運(yùn)行。
3、結(jié)束語
各類現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐漸應(yīng)用到柔性化自動(dòng)生產(chǎn)當(dāng)中，提升了工廠自動(dòng)化生產(chǎn)效率；本文介紹了CC—Link總線在鍛壓箱體FMS生產(chǎn)線中的實(shí)踐應(yīng)用，原有舊的FMS柔性自動(dòng)線經(jīng)過數(shù)控化改造及物流系統(tǒng)改造后，運(yùn)行良好，縮短了箱體加工的周期，減輕了原來吊裝、定位等作業(yè)中工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)：
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