數控機床自動上下料工作站實驗裝置的設計與開發
2020-11-3 來源：山西機電職業技術學院 數控工程系 作者：韓金利
摘要：論述西門子８２８Ｄ 數控系統自動上下料實驗裝置的總體設計方案，開發了上下料控制系統的硬件和軟件，并對上下料過程進行組態設計，實現了對上下料過程的動態監控。實驗證明：該系統運行正常，能夠滿足學生實訓與實習需求。
關鍵詞：上下料工作站；數控機床；實驗裝置
０、引言
隨著“工業 ４．０”以及“中國制造 ２０２５”規劃的提出，制造業的轉型升級推動了數控裝備技術的發展。另外，隨著我國經濟的快速發展，人口紅利逐步減少，很多企業出現了招工困難、操作工人流動性大、管理困難等問題，在機加行業中，數控機床上下料實現自動化已經成為必然趨勢，與此同時，企業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 數控系統的簡易上下料裝置，采用 ＡＢＢ六關節機器人作為運料執行器，以西門子Ｓ７－１２００為主控制器，使用一臺ＰＣ機實現對工作站進行監控，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計
１.１、硬件構成
該實驗裝置采用西門子 ８２８Ｄ 數控系統，機器人采用 ＡＢＢ ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ控制器，本體采用ＩＲＢ１２０，總控采用Ｓ７－１２００ＰＬＣ，系統總體框圖如圖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 自 動 上 下 料 控 制 要 求， 完 成ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８２８Ｄ 數控系統、伺服驅動系統、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試，并滿足以下控制要求：
①、數控系統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、根據控制要求，系統可實現手動打開關閉安全門、夾緊松開夾具的功能；
④、可以實現上下料工作過程的在線監控功能。
２、軟件設計
為滿足機器人、數控機床、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進行編程以及組態監控。
２.１、ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
由于本設計中增加的卡盤、機床防護門要求總控與數控機床控制面板都能直接控制其開合，故數控系統內裝 ＰＬＣ 與總控交互信號設定在 ＰＰ７２／４８Ｉ／Ｏ板的 Ｘ２２２接口上。數控系統內裝 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，總控在數控系統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 數控系統內裝 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
表２ 總控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
２.２、上下料總體流程
總控發出遠程啟動信號給加工單元，數控系統控制主軸回到安全位置，數控系統暫停運行，發送暫停信號給總控；總控接收暫停信號以及機器人請求放料信號，總控發送安全門打開與夾具松開信號給數控加工單元，數控系統打開安全門、松開夾具，并將門已開與夾具已松信號發送給總控；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，發送放完成信號給總控；總控接到放完成信號后發送夾具夾緊與門關信號給數控系統，數控系統將夾具夾緊，安全門關閉，并將夾緊信號與門已關信號發給總控；總控發送 ＣＮＣ繼續運行信號給數控系統，數控系統繼續運行，加工完成后，發送加工完成信號給總控；總控接到加工完成信號，發送門開與夾具松開信號給數控系統，數控系統將夾具松開，安全門打開，并將夾具松開信號與門已開信號發給總控；總控接到夾具松開信號與門已開信號，發送允取信號給機器人，機器人將工件取出，回到安全點，并將取完成信號發送給總控；總控接到取完成信號，將關門信號與夾緊信號發送給數控系統。
３、工作站遠程監控界面組態設計
實驗軟件采用西門子公司開發的上位機組態軟件ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ，與西門子ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７－１２００（ＣＰＵ１２１２Ｃ）建立通信連接，可實現對工作站自動上下料過程的在線監控，生動、直觀地展現機械手上下料動態過程，便于技術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部過程及 ＰＬＣ的運行狀態后，可增強其對工作站的了解。
３.１、工程建立及通信配置
ＷｉｎＣＣ項目創建首先打開博圖軟件，在項目樹中點擊【項 目 】，【添 加 新 設 備 】，選 擇 【ＰＣ 系 統 】中 的【ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ】，點擊添加；在【網絡視圖】下，給添加的模塊配置通信模塊———“常規ＩＥ”；在【網絡視圖】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，同時設置畫面大 小。選中 要 更改的畫面，右鍵選擇【動態化總覽】，在【周期】的選項中將時間周期改為２５０ｍｓ。
３.３、建立組態連接
將 上 下 料 裝 置 監 控 畫 面 內 的 各 種 對 象 分 別 與ＰＬＣ變量之間建立關系，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控界面，可以監控安全門（打開、關閉）、夾具運動 （夾緊、松開）、機械手快換（夾緊、松開）、數控系統 （運行、暫停）等動作的執行。圖３為上下料工作站的流程監控頁面，可以對整個上下料過程進行實時監控。
圖２. 上下料工作站的信號監控界面
４、結束語
本方案設計的自動上下料工作站結構簡單，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數控 ＰＬＣ，完成對數 控 系統 ＰＬＣ 的 技術改造。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線的改造具有參考意義。
圖３. 上下料工作站流程監控界面
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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