基于生产线实验台的运动控制方案研究

王晓玉，姜宇，赵进，谭智

（沈阳机床（集团）有限责任公司，沈阳 110142）

0 引言

对于机床行业，除了能够为客户提供高质量的数控机床之外，还能够提供整个生产线的解决方案，将会大大增加客户的满意度和订单数量。然而数控系统的多样性和数控系统中PLC 使用的特殊性使得数控机床的生产线运动控制方案具有一定的难度。本文在生产线实验台的基础上，对不同数控系统和外围设备的运动控制方案进行了研究。

1 实验台的设备组成

生产线实验台由两台西门子840Dsl 数控系统车床和一台发那科数控系统车床和一个机器人，上下料设备，缓冲工位设备，RFID 读写器设备等组成，实验生产工件为数控车床的主轴。根据整个生产线所使用的设备，将生产线运动控制方案分为机床、机器人和其他外围设备三类，总体控制方案拓扑结构如图1 所示。

图1 生产线实验台设备拓扑结构图

2 机床控制方案

由于总线控制PLC 采用的是西门子S7-300，所以将机床控制方案分为西门子数控系统和其他数控系统，其中西门子数控系统通过DP/DP 耦合器与总线控制PLC进行通讯，其他数控系统通过PLC 的I/O 点与西门子分布式I/O 相连接的方式进行通讯。

2.1 西门子840Dsl 数控系统机床控制方案

对于生产线实验台上的840Dsl 数控系统车床，总线控制PLC 采用西门子DP/DP 耦合器模块与数控机床交互信息。线控PLC 与数控机床之间的通讯信号接口如表1。

线控PLC 通过DP/DP 耦合器和数控机床交换数据，由于有2 台840Dsl 数控机床，因此需要2 个DP/DP 耦合器，线控PLC 与每台机床通过2Bytes 输入和2Bytes 输出交换数据，同时分别设置2Bytes 的一致性输入/输出数据，用于机床与线控PLC 进行通讯。

表1 线控PLC 与数控机床之间的通讯信号接口

2.2 其他数控系统机床控制方案

生产线实验台上的非西门子840Dsl 数控系统的车床，线控PLC 通过分布式I/O 与其进行数据交互，如图1所示。交互的数据包括机床状态，工件状态等信息，其控制信号和控制方法与西门子840Dsl 数控系统相同，由于采用的是分布式I/O 控制，其硬件组态与外围设备相同。

3 机器人控制方案

总线控制PLC 的主要功能是判断各个机床、机器人和外围设备的状态，控制机器人，实现工件的自动上下料动作，因此对机器人的控制十分重要，要充分考虑自锁和互锁条件，以保证动作的安全性和可靠性。

3.1 机器人搬运流程

根据生产线实验台的加工流程，确定机器人的搬运步骤如下：1）入口零件架→RFID 读写器；2）RFID 读写器→1 序（高刚度数控车床）；3）1 序（高刚度数控车床）→1 序中转台；4）1 序中转台→2 序（高刚度数控车床）；5）2序（高刚度数控车床）→2 序中转台；6）2 序中转台→3 序（数控车床）；7）3 序（数控车床）→手动操作站台1；8）手动操作站台2→出口零件架。

根据加工工件的需要，生产线实验台中包括人工参与的手动操作站部分。

3.2 总线控制PLC 与机器人的接口信号

根据机器人搬运流程，确定机器人与线控PLC 之间的接口信号如表2 所示。

表2 线控PLC 与机器人接口信号

3.3 线控PLC 方面的硬件设置

使用机器人的输入输出与PLC 进行通讯，线控PLC需要使用分布式I/O 与机器人进行数据交换，要求机器人电柜中有安装分布式I/O 的 空间，或在机器人电气柜附近加装设备安装分布式I/O。线控PLC 需要增加的设备包括西门子ET200S 分布式I/O 中的接口模板IM151-1 HF，电源模板PM-E，数字量输入输出模块等。

4 外围设备控制方案

外围设备包括出入口零件架，中间有人参与的工位、中转台和RFID 读写器等工位，外围设备的信号读出和写入主要是使用分布式I/O 实现的。

4.1 物料入口/出口控制方案

物料入口由人工将主轴物料放置在零件架上，然后由机器人进行搬运，为了保证工人的安全，要在零件架上安装按钮盒。当需要上料时，操作人员通过按下“上料请求”按钮，若“上料请求”按钮灯亮，说明线控PLC 相应请求，此时机器人不会执行取料动作，操作人员放料结束后，按下“上料完成”按钮，“上料请求”灯熄灭，若条件满足，便可以通知机器人执行搬运动作。物料出口控制方案与入口控制方案相同。

4.2 中间有人工参与工位方案

对生产线最后需要人工参与的工位。根据生产线自动控制总体需要，采用自动化设备，如图2 所示。通过托盘交换的方式，将工件交换到可前后移动的小车上，再通过气缸或传动链将工件运送到安全区域，操作人员将工件取走后，小车自动退回到生产线，等待下一个工件。每个工位安装检测工件有无的传感器，前后移动工位安装小车有无检测装置，采用气缸传动，通过分布式I/O 驱动气阀。整个生产线实验台的各个部分的控制分别阐述完毕，图3 是整体的PLC 硬件组态图。

图2 有人工参与工位控制方案

图3 总线控制PLC 硬件组态

5 结语

生产线实验台为数控机床生产线研究提供了硬件平台，有利于为客户提供智能化解决方案。

［1］Programming with STEP 7 Manual［M］.西门子工业自动化，2006.

［2］DP/DP Coupler 使用快速入门［M］.西门子工业自动化，2009.

［3］PROFIBUS Networks Manual［M］.西门子工业自动化，2005.

［4］崔坚.西门子工业网络通讯指南［M］.北京：机械工业出版社，2005.