數(shù)控機床自動上下料工作站實驗裝置的設(shè)計與開發(fā)
2020-11-3 來源：山西機電職業(yè)技術(shù)學院 數(shù)控工程系 作者：韓金利
摘要：論述西門子８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)自動上下料實驗裝置的總體設(shè)計方案，開發(fā)了上下料控制系統(tǒng)的硬件和軟件，并對上下料過程進行組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)了對上下料過程的動態(tài)監(jiān)控。實驗證明：該系統(tǒng)運行正常，能夠滿足學生實訓與實習需求。
關(guān)鍵詞：上下料工作站；數(shù)控機床；實驗裝置
０、引言
隨著“工業(yè) ４．０”以及“中國制造 ２０２５”規(guī)劃的提出，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級推動了數(shù)控裝備技術(shù)的發(fā)展。另外，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口紅利逐步減少，很多企業(yè)出現(xiàn)了招工困難、操作工人流動性大、管理困難等問題，在機加行業(yè)中，數(shù)控機床上下料實現(xiàn)自動化已經(jīng)成為必然趨勢，與此同時，企業(yè)也需要大量的自動上下料工作站維護維修人員，對于高職院校來說，加強學生在數(shù)控機床上下料方面的培訓顯得極其重要。
針對這種情況，本文提出了一種基于 ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)的簡易上下料裝置，采用 ＡＢＢ六關(guān)節(jié)機器人作為運料執(zhí)行器，以西門子Ｓ７－１２００為主控制器，使用一臺ＰＣ機實現(xiàn)對工作站進行監(jiān)控，學生還可以利用這臺ＰＣ進行編程練習。
１、自動上下料工作站實驗裝置總體方案設(shè)計
１.１、硬件構(gòu)成
該實驗裝置采用西門子 ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)，機器人采用 ＡＢＢ ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ控制器，本體采用ＩＲＢ１２０，總控采用Ｓ７－１２００ＰＬＣ，系統(tǒng)總體框圖如圖１所示。
圖１. 自動上下料工作站實驗裝置的總體框圖
１.２、控制方案
根 據(jù) 自 動 上 下 料 控 制 要 求， 完 成ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、輸入輸出模塊 ＰＰ７２／４８、總控 ＰＬＣ、機器人控制器等模塊的安裝與調(diào)試，并滿足以下控制要求：
①、數(shù)控系統(tǒng)與機器人配合完成物料的自動上料與下料；
②、工作站具備緊急停止功能；
③、根據(jù)控制要求，系統(tǒng)可實現(xiàn)手動打開關(guān)閉安全門、夾緊松開夾具的功能；
④、可以實現(xiàn)上下料工作過程的在線監(jiān)控功能。
２、軟件設(shè)計
為滿足機器人、數(shù)控機床、總控 ＰＬＣ三者之間信號交互的要求，需要對三者之間的Ｉ／Ｏ 地址進行分配，并采用博圖軟件對總控ＰＬＣ進行編程以及組態(tài)監(jiān)控。
２.１、ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
由于本設(shè)計中增加的卡盤、機床防護門要求總控與數(shù)控機床控制面板都能直接控制其開合，故數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ 與總控交互信號設(shè)定在 ＰＰ７２／４８Ｉ／Ｏ板的 Ｘ２２２接口上。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表１所示。機器人在上下料過程中需要與總控配合完成，總控在數(shù)控系統(tǒng)與機器人之間起橋梁作用，機器人通過ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ機器人控制柜 ＸＳ１２、ＸＳ１３、ＸＳ１４、ＸＳ１５接口與總控進行信號交互，總控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表２所示。
表１ 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
表２ 總控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
２.２、上下料總體流程
總控發(fā)出遠程啟動信號給加工單元，數(shù)控系統(tǒng)控制主軸回到安全位置，數(shù)控系統(tǒng)暫停運行，發(fā)送暫停信號給總控；總控接收暫停信號以及機器人請求放料信號，總控發(fā)送安全門打開與夾具松開信號給數(shù)控加工單元，數(shù)控系統(tǒng)打開安全門、松開夾具，并將門已開與夾具已松信號發(fā)送給總控；總控接收到門已開信號與夾具已松信號，并將允放信號發(fā)送給機器人；機器人接收到允放信號后將工件放入機床，并回到安全點，發(fā)送放完成信號給總控；總控接到放完成信號后發(fā)送夾具夾緊與門關(guān)信號給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具夾緊，安全門關(guān)閉，并將夾緊信號與門已關(guān)信號發(fā)給總控；總控發(fā)送 ＣＮＣ繼續(xù)運行信號給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)運行，加工完成后，發(fā)送加工完成信號給總控；總控接到加工完成信號，發(fā)送門開與夾具松開信號給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將夾具松開，安全門打開，并將夾具松開信號與門已開信號發(fā)給總控；總控接到夾具松開信號與門已開信號，發(fā)送允取信號給機器人，機器人將工件取出，回到安全點，并將取完成信號發(fā)送給總控；總控接到取完成信號，將關(guān)門信號與夾緊信號發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。
３、工作站遠程監(jiān)控界面組態(tài)設(shè)計
實驗軟件采用西門子公司開發(fā)的上位機組態(tài)軟件ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ，與西門子ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７－１２００（ＣＰＵ１２１２Ｃ）建立通信連接，可實現(xiàn)對工作站自動上下料過程的在線監(jiān)控，生動、直觀地展現(xiàn)機械手上下料動態(tài)過程，便于技術(shù)維修人員盡快定位故障點、排除故障；另外學生在觀察上下料內(nèi)部過程及 ＰＬＣ的運行狀態(tài)后，可增強其對工作站的了解。
３.１、工程建立及通信配置
ＷｉｎＣＣ項目創(chuàng)建首先打開博圖軟件，在項目樹中點擊【項 目 】，【添 加 新 設(shè) 備 】，選 擇 【ＰＣ 系 統(tǒng) 】中 的【ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ】，點擊添加；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，給添加的模塊配置通信模塊———“常規(guī)ＩＥ”；在【網(wǎng)絡(luò)視圖】下，單 擊 上 方 的 【連 接 】選 項，通 過 拖 拉 將【ＷｉｎＣＣ模塊的ＩＥ接口】連接到【ＰＬＣ的 ＰＲＯＦＩＮＥＴ接口】上即可完成通訊配置。在控制面板下，單擊右上方的搜索框，輸入 ＰＧ，點擊設(shè)置【ＰＧ／ＰＣ 接口】，在配置 窗 口 中 打 開 【下 拉 菜 單 】，選 擇 【Ｓ７ＯＮＬＩＮＥ（ＳＴＥＰ７）】選項，然后在下方窗口中選擇【電腦網(wǎng)卡型號的 ＴＣＰ／ＩＰ．ＡＵＴＯ．１】，點擊左下方確定完成配置。
３.２、添加畫面
在項目視圖【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】下，打開【畫面】選項，添加新畫面，選擇畫面右鍵【重命名】畫面名稱，同時設(shè)置畫面大 小。選中 要 更改的畫面，右鍵選擇【動態(tài)化總覽】，在【周期】的選項中將時間周期改為２５０ｍｓ。
３.３、建立組態(tài)連接
將 上 下 料 裝 置 監(jiān) 控 畫 面 內(nèi) 的 各 種 對 象 分 別 與ＰＬＣ變量之間建立關(guān)系，當ＰＬＣ變量值（上料與下料動作）改變時，在畫面上能夠直觀地看到圖形對象的動畫效果。
３.４、運行調(diào)試
右擊【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】，在 跳出的菜單中選中【開始仿真】，點擊即可跳出仿真頁面。圖 ２為上下料工作站的信號監(jiān)控界面，可以監(jiān)控安全門（打開、關(guān)閉）、夾具運動 （夾緊、松開）、機械手快換（夾緊、松開）、數(shù)控系統(tǒng) （運行、暫停）等動作的執(zhí)行。圖３為上下料工作站的流程監(jiān)控頁面，可以對整個上下料過程進行實時監(jiān)控。
圖２. 上下料工作站的信號監(jiān)控界面
４、結(jié)束語
本方案設(shè)計的自動上下料工作站結(jié)構(gòu)簡單，不但能夠滿足學生對上下料流程的 Ｓ７－１２００的編程實訓，學生還可以利用 ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌ編程軟件編寫機床側(cè)數(shù)控 ＰＬＣ，完成對數(shù) 控 系統(tǒng) ＰＬＣ 的 技術(shù)改造。實踐證明，該裝置實用性強，對今后的教學工作以及自動生產(chǎn)線的改造具有參考意義。
圖３. 上下料工作站流程監(jiān)控界面
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