力士樂MTX micro數控系統在桁架自動線中的應用
2018-5-23 來源：山東濱州渤海活塞股份有限公司 作者： 王龍昌
摘要：文章介紹了力士樂推出的MTX micro數控系統在桁架自動線中的應用。該系統具有雙通道功能，系統間聯網簡單易行、性價比高，非常適合該類自動線的控制方案。該控制方案能縮短在研發階段大量的調試時間，可以靈活使用CPL高級編程實現自動線流程動作。相對于單通道PLC軸而言，能避免大量繁瑣復雜的PLC工作，給調試帶來了極大的方便。
關鍵詞：數控系統；雙通道；CPL高級編程；調試時間；桁架自動線
從機械行業的展會看到，桁架自動線以洶涌之勢占據自動線大半天下。根據公司生產汽車配件的特點，自動線的快速發展之勢，公司自主研發了桁架式機械手自動生產線。該生產線節省了大量人力，避免了人員因素引起的產品加工缺陷，產品工藝的一致性得到了保證，產品質量得到了進一步的提升。
1、項目介紹
力士樂Indra Motion MTX micro是一款為通用機床市場提供的緊湊、簡單、功能強大并且經濟的CNC系統解決方案，它由多軸集成伺服驅動，高性能NC控制器和戶友好的人機界面組成，帶有雙通道功能。功能強大的32位處理器確保了較短的CNC和PLC處理時間。系統具備納米級精度、高分辨率的絕對編碼器。最大可以擴展為十二軸，配備10.4＂彩色TFT顯示屏。系統配置的伺服進給電機皆為絕對值編碼器，多圈編碼器（Hiperface）128線，8192倍頻，內部分辨率1.048.576，絕對分辨4096圈。自帶內存的多圈編碼器帶來的優勢，無需極限開關無需電池，在斷電時仍保留軸絕對位置信息。無需軸回零，帶有電子銘牌使電機的調試變得簡單。自動線為“U型”布線方案，工件通過運送料道周轉到下一道工序，從而完成整個生產線的物流。整線由車床、鏜床、銑床等多種類型的設備組成，機械手由豎直運行軸（U軸）和水平運行軸（W軸）兩軸驅動，在控制方案中將機械手的兩軸定義為第二通道。機床的所有加工軸定義為第一通道。機械手的末端有裝載卡爪、卸載卡爪，能通過旋轉氣缸進行兩個卡爪的空間位置互換。機械手負責在裝載料道抓取工件通過桁架運送到機床內，先用卸載卡爪卸載切削完成的工件，再將新工件安裝到機床內。完成換料后，機械手把切削完成的工件送出機床，放置到卸載料道，再回到裝載料道裝夾工件。以此順序，不斷往復循環。
2、調試過程中的技術方案
2.1 聯網通訊，簡單易行
自動線OP40、OP50是相同的工序，使用了一臺機械手。控制方案是機械手的控制配置在OP40系統內，OP50和機械手的通訊即是OP40、OP50之間的通訊。系統之間的聯網，力士樂系統的通訊較為簡潔省力。軟件通訊協議不占用硬件資源，且無硬件接線故障，通訊數據量可以隨時增減，體現出了軟件協議通訊的優越性。力士樂系統很多的案例中，例如多于十二軸的要求，可以采用系統之間的聯網，從而組成比較復雜的控制。和計算機的聯網相同，網線通過以太網交換機即可建立連接。改動一臺系統的IP地址，在PLC調用相應的功能塊即可實現系統間的數據通訊。其中：“Ip Address”是另一臺系統的IP地址；“Send Data Adr”是發送的數組地址；“Recv Data Adr”是收到的數組地址；“Send Data Adr”和“Recv Data Adr”都是8個字節共計64位的存儲區。在另一臺設備調用“IL_Udpcyclic”功能塊，即可建立兩臺設備的數據通訊。按照如此方法，僅使用一臺交換機，即可實現多臺系統的聯網通訊。
2.2 雙通道編程靈活
PLC讀寫變量，調用相應功能塊即可實現。可以使用符合DIN66025（包括補充標準）語法的NC函數。控制器提供多種NC函數，除了DIN66025規定的命令之外，還包含G代碼中的重要補充內容以及高級語言類型的語法元素。雙通道功能是力士樂MTX micro系統高性價比的市場亮點，該價位的系統能提供雙通道功能確屬少見。高端數控系統所用的高級編程語言REPEAT、WHILE、FOR等都可以在該系統編程使用。和單通道的PLC軸相比，有非常大的優越性和靈活性。雙通道的程序同步功能（程序等待）如表1所示：
其中：SEV(1) 設置一個位事件；WEV(1)WEV(2) 等待位事件；REV(1) 刪除一個位事件。以上三條指令實現了雙通道的等待功能，任何一個通道執行到該處，等待另一個通道程序執行到該位置“同步”后，方可共同向下執行程序。
Pl C對于CPL變量的讀寫：
首先要在系統文件/usrfep/wmhperm.dat中定義變量名字及類型。在PLC調用“MT_cpl Data”功能塊即可實現PLC讀、寫變量。
如上圖3為PLC寫變量的截圖：@HYOK是變量名稱，可以在NC程序中直接訪問，QCH_HYD_OK是PLC處理邏輯的結果：液壓系統已啟動。結果：@HYOK=QCH_HYD_OK。讀CPL變量也是使用該功能塊，將參數Mode設定為1，該功能塊即為讀CPL變量。
2.3 控制部分的安全保護
對于自動線，控制方案的安全設計始終是一個關鍵的問題，這關系到自動線是否能穩定、可靠地運行，甚至說可以關系到整個生產線將來的推廣。我公司多臺進口的大型設備，其安全部分設計得非常有特色，都具備相應的安全保護等級。較為關鍵的地方使用了軟件、硬件的雙重保護。自動線的優勢能不能正常發揮，維護信息能否完整、詳實，能否切實地提高工作效率，關鍵在于控制是否設計得人性化、合理化。這些是推廣自動化的基礎，是自動化控制正常運行的有力保證。對于該線安全方面的設計方案，摘取三點說明如下：
2.3.1 急停回路和系統的連接。急停回路設計了PILZ的急停模塊PNOZ S5。安全等級4級（根據EN954-1），具有強制斷開的繼電器觸點，能保證急停對于系統快速準確的響應。原理圖如下圖4:
2.3.2 軟件位置開關實現區間的保護。MTX micro軟件位置開關最高可對整個系統中的48個位置（基準點）進行監控，可向每個軸分配最多8個基準點。只要軸的當前實際位置大于或等于監控位置，即置位軸接口信號i Ax_Pos Switch1至i Ax_Pos Switch8。
根據軸接口信號的變化，從而編程相應的邏輯保護。當機械手移動到機床上方換料位置區域內，從PLC程序的邏輯結果可看出Qch2.qch_Custom1應有相應的輸出，可以使用該信號做運動互鎖邏輯。例如，在機械手卸載位置、裝載位置、換料位置都設置了軟件位置開關，機械手只有運行到這些區域內，方能豎直方向運行。
2.3.3 硬件接近傳感器對于機械手特定位置的檢測。軟件位置開關限制了機械手只有在特定的位置才能進行豎直的運行，但還不能保證位置的絕對準確。電機自身所帶編碼器是半閉環控制，沒有全閉環的位置檢測。如果聯軸器等機械環節造成連接松動，軟件位置開關是無法檢測出來的。為此設計了硬件接近傳感器，使用多個固定位置的機械檔塊來激活該開關。對于該生產線至少安裝了以下兩個重要位置的位置檢測檔塊：（1）水平方向（W軸）：機械手裝載工件位置、卸載工件位置、換料位置（機床上方）；（2）豎直方向（U軸）：當機械手在豎直方向提升到能使機械手水平移動的位置，該位置標示機械手已提升到安全位置，水平方向可以進行移動。
以下是使用M功能來判斷U軸的硬件開關位置是否到達：
……
N610 U=[SAFE_U]；變量[SAFE_U]數值為豎直方向的
U軸安全位置值
N620 M87;IF U_SAFE SWITCH IS CLOSED
N630 M69;UNLODING FINISH
N640 W=[LOAD_W]
……
M87功能即是檢查到位開關的狀態，如圖6所示，
“AUXF_Interface.Ch2_M87”串聯的輸入信號（硬件到位開關）狀態有誤，則會產生1086的報警信息，程序停止，告之硬件檢測開關位置沒有到達。這一硬件保護措施從根本上解決了系統運行的安全問題。在程序運行各個分支的U=[SAFE_U]后，都要檢測一次硬件開關是否激活。為了檢測該硬件開關是否故障（擊穿或者斷線等故障），設計了硬件開關的狀態自檢。在開關沒有被觸發的其他區間，PLC檢測開關的狀態是否正確。即對于硬件開關的自檢，PLC檢測開關沒有激活的狀態（應該為0），NC程序使用M功能檢測激活的狀態（應該為1）。為機械手的硬件位置開關正常工作提供了檢測保障，是比
較完善的自檢保證措施。
如圖6所示的最后兩個網絡，是PLC對于U軸和W軸硬件開關在一定區間的狀態自檢，如果該狀態不正常，則會有相應的報警。機械手往復運行一次，PLC、NC則會多次檢測開關狀態是否正常。
3、結語
該系統使用四年多來，運行正常。數控系統顯示了極高的穩定性，安全功能有效地實現了相應級別的安全保護，雙通道的性能得到了極致的發揮。該生產線性能可靠，由于MTX micro的高性價比，使得該自動生產線的現場應用得到了不斷的功能擴展。和進口的自動線相比，性價比、實用性都得到了驗證，優勢明顯。近幾年，公司已經推廣該生產線十余條，為大眾、康明斯等多家知名公司配套產品。
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