数控机床自动上下料工作站实验装置的设计与开发
2020-11-3 来源：山西机电职业技术学院 数控工程系 作者：韩金利
摘要：论述西门子８２８Ｄ 数控系统自动上下料实验装置的总体设计方案，开发了上下料控制系统的硬件和软件，并对上下料过程进行组态设计，实现了对上下料过程的动态监控。实验证明：该系统运行正常，能够满足学生实训与实习需求。
关键词：上下料工作站；数控机床；实验装置
０、引言
随着“工业 ４．０”以及“中国制造 ２０２５”规划的提出，制造业的转型升级推动了数控装备技术的发展。另外，随着我国经济的快速发展，人口红利逐步减少，很多企业出现了招工困难、操作工人流动性大、管理困难等问题，在机加行业中，数控机床上下料实现自动化已经成为必然趋势，与此同时，企业也需要大量的自动上下料工作站维护维修人员，对于高职院校来说，加强学生在数控机床上下料方面的培训显得极其重要。
针对这种情况，本文提出了一种基于 ８２８Ｄ 数控系统的简易上下料装置，采用 ＡＢＢ六关节机器人作为运料执行器，以西门子Ｓ７－１２００为主控制器，使用一台ＰＣ机实现对工作站进行监控，学生还可以利用这台ＰＣ进行编程练习。
１、自动上下料工作站实验装置总体方案设计
１.１、硬件构成
该实验装置采用西门子 ８２８Ｄ 数控系统，机器人采用 ＡＢＢ ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ控制器，本体采用ＩＲＢ１２０，总控采用Ｓ７－１２００ＰＬＣ，系统总体框图如图１所示。
图１. 自动上下料工作站实验装置的总体框图
１.２、控制方案
根 据 自 动 上 下 料 控 制 要 求， 完 成ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８２８Ｄ 数控系统、伺服驱动系统、输入输出模块 ＰＰ７２／４８、总控 ＰＬＣ、机器人控制器等模块的安装与调试，并满足以下控制要求：
①、数控系统与机器人配合完成物料的自动上料与下料；
②、工作站具备紧急停止功能；
③、根据控制要求，系统可实现手动打开关闭安全门、夹紧松开夹具的功能；
④、可以实现上下料工作过程的在线监控功能。
２、软件设计
为满足机器人、数控机床、总控 ＰＬＣ三者之间信号交互的要求，需要对三者之间的Ｉ／Ｏ 地址进行分配，并采用博图软件对总控ＰＬＣ进行编程以及组态监控。
２.１、ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
由于本设计中增加的卡盘、机床防护门要求总控与数控机床控制面板都能直接控制其开合，故数控系统内装 ＰＬＣ 与总控交互信号设定在 ＰＰ７２／４８Ｉ／Ｏ板的 Ｘ２２２接口上。数控系统内装 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表１所示。机器人在上下料过程中需要与总控配合完成，总控在数控系统与机器人之间起桥梁作用，机器人通过ＩＲＣ５ｃｏｍｐａｃｔ机器人控制柜 ＸＳ１２、ＸＳ１３、ＸＳ１４、ＸＳ１５接口与总控进行信号交互，总控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配如表２所示。
表１ 数控系统内装 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
表２ 总控 ＰＬＣ Ｉ／Ｏ 分配
２.２、上下料总体流程
总控发出远程启动信号给加工单元，数控系统控制主轴回到安全位置，数控系统暂停运行，发送暂停信号给总控；总控接收暂停信号以及机器人请求放料信号，总控发送安全门打开与夹具松开信号给数控加工单元，数控系统打开安全门、松开夹具，并将门已开与夹具已松信号发送给总控；总控接收到门已开信号与夹具已松信号，并将允放信号发送给机器人；机器人接收到允放信号后将工件放入机床，并回到安全点，发送放完成信号给总控；总控接到放完成信号后发送夹具夹紧与门关信号给数控系统，数控系统将夹具夹紧，安全门关闭，并将夹紧信号与门已关信号发给总控；总控发送 ＣＮＣ继续运行信号给数控系统，数控系统继续运行，加工完成后，发送加工完成信号给总控；总控接到加工完成信号，发送门开与夹具松开信号给数控系统，数控系统将夹具松开，安全门打开，并将夹具松开信号与门已开信号发给总控；总控接到夹具松开信号与门已开信号，发送允取信号给机器人，机器人将工件取出，回到安全点，并将取完成信号发送给总控；总控接到取完成信号，将关门信号与夹紧信号发送给数控系统。
３、工作站远程监控界面组态设计
实验软件采用西门子公司开发的上位机组态软件ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ，与西门子ＳＩＭＡＴＩＣ Ｓ７－１２００（ＣＰＵ１２１２Ｃ）建立通信连接，可实现对工作站自动上下料过程的在线监控，生动、直观地展现机械手上下料动态过程，便于技术维修人员尽快定位故障点、排除故障；另外学生在观察上下料内部过程及 ＰＬＣ的运行状态后，可增强其对工作站的了解。
３.１、工程建立及通信配置
ＷｉｎＣＣ项目创建首先打开博图软件，在项目树中点击【项 目 】，【添 加 新 设 备 】，选 择 【ＰＣ 系 统 】中 的【ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ】，点击添加；在【网络视图】下，给添加的模块配置通信模块———“常规ＩＥ”；在【网络视图】下，单 击 上 方 的 【连 接 】选 项，通 过 拖 拉 将【ＷｉｎＣＣ模块的ＩＥ接口】连接到【ＰＬＣ的 ＰＲＯＦＩＮＥＴ接口】上即可完成通讯配置。在控制面板下，单击右上方的搜索框，输入 ＰＧ，点击设置【ＰＧ／ＰＣ 接口】，在配置 窗 口 中 打 开 【下 拉 菜 单 】，选 择 【Ｓ７ＯＮＬＩＮＥ（ＳＴＥＰ７）】选项，然后在下方窗口中选择【电脑网卡型号的 ＴＣＰ／ＩＰ．ＡＵＴＯ．１】，点击左下方确定完成配置。
３.２、添加画面
在项目视图【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】下，打开【画面】选项，添加新画面，选择画面右键【重命名】画面名称，同时设置画面大 小。选中 要 更改的画面，右键选择【动态化总览】，在【周期】的选项中将时间周期改为２５０ｍｓ。
３.３、建立组态连接
将 上 下 料 装 置 监 控 画 面 内 的 各 种 对 象 分 别 与ＰＬＣ变量之间建立关系，当ＰＬＣ变量值（上料与下料动作）改变时，在画面上能够直观地看到图形对象的动画效果。
３.４、运行调试
右击【ＨＭＩ＿ＲＴ＿１［ＷｉｎＣＣ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ］】，在 跳出的菜单中选中【开始仿真】，点击即可跳出仿真页面。图 ２为上下料工作站的信号监控界面，可以监控安全门（打开、关闭）、夹具运动 （夹紧、松开）、机械手快换（夹紧、松开）、数控系统 （运行、暂停）等动作的执行。图３为上下料工作站的流程监控页面，可以对整个上下料过程进行实时监控。
图２. 上下料工作站的信号监控界面
４、结束语
本方案设计的自动上下料工作站结构简单，不但能够满足学生对上下料流程的 Ｓ７－１２００的编程实训，学生还可以利用 ＰＬＣ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌ编程软件编写机床侧数控 ＰＬＣ，完成对数 控 系统 ＰＬＣ 的 技术改造。实践证明，该装置实用性强，对今后的教学工作以及自动生产线的改造具有参考意义。
图３. 上下料工作站流程监控界面
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