劉勝勇

（中國重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司，濟(jì)南250022）

數(shù)控滾齒機(jī)的機(jī)器人智能拓展

劉勝勇

（中國重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司，濟(jì)南250022）

通過氣路設(shè)計(jì)、PLC程序編制和加工程序修改，YKX3132M型數(shù)控滾齒機(jī)具備了自動(dòng)門機(jī)能、自動(dòng)吹屑機(jī)能及尾架頂尖2次夾/松機(jī)能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人側(cè)控制機(jī)能，進(jìn)而使流水式半自動(dòng)化的主動(dòng)錐齒輪生產(chǎn)線成功升級為柔性制造線。

數(shù)控滾齒機(jī)；機(jī)器人；拓展

0 前言

現(xiàn)階段產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)實(shí)施智能化制造的措施之一，就是充分利用現(xiàn)有的立/臥式車床、車削中心、內(nèi)/外圓磨床、立/臥式加工中心、花鍵銑床、直齒/螺旋齒滾齒機(jī)、研齒機(jī)或磨齒機(jī)等數(shù)控裝備，對在用生產(chǎn)線進(jìn)行“機(jī)器換人”式升級改造，即引入工業(yè)機(jī)器人、生產(chǎn)裝備智能化改造與流水線生產(chǎn)集成管理。

1 主動(dòng)錐齒輪生產(chǎn)線現(xiàn)狀

某主動(dòng)錐齒輪生產(chǎn)線，包含2臺FANUC 0i TD系統(tǒng)的臥式數(shù)控車床、2臺SINUMERIK 802D solution line系統(tǒng)的YKX3132M型數(shù)控滾齒機(jī)、2臺SINUMERIK 840D power line系統(tǒng)的Oerlikon C50型銑齒機(jī)和2套SIMATIC-300PLC的環(huán)線送料機(jī)，主要用來切削商用車主動(dòng)錐齒輪。該生產(chǎn)線通常每班配備3名操作者，使用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行毛坯上料、（半）成品下料、隨機(jī)抽檢和切削區(qū)監(jiān)控，除C50自帶內(nèi)置型上下料機(jī)械手和自動(dòng)門外，其余4臺機(jī)床均為人工上下料并缺少自動(dòng)門，雙班作業(yè)日產(chǎn)主動(dòng)錐齒輪僅220件。為此，投資91萬元為生產(chǎn)線裝配了1臺行走距離8m的KAWASAKI BX200L型六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，以使流水式半自動(dòng)化的在用生產(chǎn)線升級為自動(dòng)化程度較高的柔性制造線（Flexible Manufacturing Line，F(xiàn)ML，圖1）。

2 數(shù)控滾齒機(jī)的機(jī)器人智能擴(kuò)充

承擔(dān)花鍵滾切任務(wù)的10工序滾齒機(jī)MC2，若要開發(fā)并應(yīng)用機(jī)器人機(jī)能（即RT機(jī)能），則必須立足于原機(jī)床的硬件設(shè)施與軟件環(huán)境，新增自動(dòng)門氣缸、自動(dòng)吹屑?xì)忾y、相關(guān)電路（略）和氣路等，新編MC2與RT交互梯圖、自動(dòng)門開/關(guān)梯圖、自動(dòng)吹屑梯圖及尾架頂尖2次夾/松梯圖，修改工件加工程序。

2.1 原機(jī)在用PLC程序和加工程序的備份

（1）使用編程工具PLC802，將原機(jī)在用PLC程序上裝（載入）外設(shè)PC做好備份。802Dsl系統(tǒng)采用以SIMATIC-200指令組為基礎(chǔ)的內(nèi)置PLC，其編程工具是基于Step7-Micro/WIN32基礎(chǔ)開發(fā)的PLC802，并被存放在隨機(jī)資料的Toolbox工具盤內(nèi)，操作步驟有5步。

圖1 升級后主動(dòng)錐齒輪柔性制造線

①在外設(shè)PC上，雙擊工具盤內(nèi)文件setup.exe，選擇項(xiàng)目“Programming Tool PLC802”，設(shè)置安裝路徑和安裝語言等，完成PLC802的安裝。②在外設(shè)PC和滾齒機(jī)斷電的情況下，將長度不超過15 m的RS232通信電纜的一端接至802Dsl系統(tǒng)PCU面板的X8接口，另一端借助RS232←→USB轉(zhuǎn)接口接至外設(shè)PC的USB端口。③在802Dsl系統(tǒng)側(cè)，同時(shí)按[SHIFT]切換鍵與[SYSTEM/ALARM]鍵以進(jìn)入SYSTEM操作區(qū)基本畫面后，依次點(diǎn)擊畫面內(nèi)[PLC]鍵、[Step7連接]鍵和[激活連接]鍵，激活Step7的RS232串行通信連接。④在外設(shè)PC側(cè)，雙擊WinXP桌面的PLC802圖標(biāo)以打開編程工具并選擇菜單命令“檢視→通信”進(jìn)入通信設(shè)定畫面后，設(shè)定遠(yuǎn)程地址為2，經(jīng)右上角接入點(diǎn)圖標(biāo)“PLC802（PPI）”進(jìn)行PC接口設(shè)定，點(diǎn)擊圖標(biāo)“雙擊刷新”自動(dòng)完成外設(shè)PC與802Dsl系統(tǒng)的通信連接，待連接成功時(shí)PLC802會(huì)為802Dsl系統(tǒng)分配一個(gè)CPU圖標(biāo)。⑤在外設(shè)PC與802Dsl系統(tǒng)正常通信的前提下，經(jīng)PLC802操作主畫面中標(biāo)準(zhǔn)工具條的[上裝]按鈕，或是執(zhí)行菜單命令“文件→上裝”，將802Dsl系統(tǒng)的在用PLC程序復(fù)制到外設(shè)PC中。如此，既能做好MC2改造前的PLC程序備份，又能奠定MC2后續(xù)新增PLC程序開發(fā)的基礎(chǔ)。

（2）使用機(jī)外存儲卡，即FAT32格式的定容量的CF卡，將原機(jī)床在用的加工程序傳送至存儲卡，做好加工程序的備份與后續(xù)修改工作。打開802Dsl系統(tǒng)PCU面板正面右上角的擋板，在其50芯且支持熱插拔的CF卡插槽內(nèi)放入8GB的CF卡。按下CNC鍵盤上[PROGRAM MANAGER]鍵進(jìn)入程序管理器基本畫面后，單擊水平軟鍵[NC目錄]進(jìn)入NC目錄畫面，通過光標(biāo)向下/向上鍵選中全部程序文件名并單擊垂直軟鍵[復(fù)制]。單擊水平軟鍵[用戶CF卡]進(jìn)入用戶CF畫面，按垂直軟鍵[粘貼]，即可使802Dsl系統(tǒng)側(cè)加工程序向外傳送至CF卡。

2.2 氣路設(shè)計(jì)與I/O信號給定

（1）現(xiàn)場核查MC2操作門的開閉行程及安裝空間后，選用行程為800 mm的單桿雙作用SMC氣缸CDM2B32-800Z，選擇二位五通型SMC先導(dǎo)式電磁閥SY5320-5DZ-01，AN系列消聲器AN110-01與減壓閥AR20-01-A，以實(shí)現(xiàn)操作門的自動(dòng)控制。根據(jù)殘留積屑的尺寸及安裝空間，選用帶磁座可調(diào)塑料冷卻管，選擇二位二通型亞德客電磁閥2V02508與CV系列單向閥CV-02，以實(shí)現(xiàn)工件切削后殘留積屑的自動(dòng)吹除。同時(shí)，為改善供氣質(zhì)量，在氣路的進(jìn)氣端增設(shè)亞德客氣動(dòng)三聯(lián)件BC2000（過濾器＋減壓閥＋油霧器）。升級后YKX3132M型數(shù)控滾齒機(jī)的氣動(dòng)原理見圖2。

圖2 升級后YKX3132M型數(shù)控滾齒機(jī)的氣動(dòng)原理圖

表1 數(shù)控滾齒機(jī)與機(jī)器人交互信號（握手）對接表

（2）經(jīng)編程工具PLC802，提取原機(jī)在用PLC程序內(nèi)空置未用的數(shù)字量式輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，并將其賦予一定含義，以實(shí)現(xiàn)滾齒機(jī)RT機(jī)能的擴(kuò)充。先在PLC802的操作主畫面中，通過菜單命令“文件→打開”或快捷鍵“Ctrl＋O”打開已上裝至外設(shè)PC的PLC程序，單擊標(biāo)準(zhǔn)工具條上編譯圖標(biāo)■□，對PLC程序進(jìn)行編譯，用以后續(xù)顯示交叉引用；再單擊左側(cè)游覽條內(nèi)[交叉引用]圖標(biāo)進(jìn)入交叉引用窗口后，窗口列表會(huì)清晰地顯示出PLC程序內(nèi)所用的全部操作地（元素或地址）及其位于哪個(gè)程序塊、第幾條網(wǎng)絡(luò)、是常開觸點(diǎn)信號還是常閉觸點(diǎn)信號或者為線圈，進(jìn)而找出PP72/48模塊上空置未用的數(shù)字量式輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)；三是基于RT機(jī)能的擴(kuò)充要求，既要給定自動(dòng)門開/關(guān)動(dòng)作的6個(gè)控制信號，又要給定自動(dòng)吹屑動(dòng)作的1個(gè)控制信號；既要給定RT→滾齒機(jī)MC2的5個(gè)輸入信號（包含尾架頂尖夾/松和MT循環(huán)啟動(dòng)的RT側(cè)激勵(lì)信號2個(gè)），又要給定MC2→RT的7個(gè)輸出信號；四是據(jù)“功能相近者優(yōu)先排序，新增元素彼此盡可能臨近”的原則，將這19個(gè)控制信號與已提取到的空置未用的輸入/輸出點(diǎn)一一對應(yīng)（表1，角標(biāo)*表示過程映像信號隸屬于機(jī)器人外設(shè)控制柜內(nèi)SIMATIC-200PLC），以便確定其在PP72/48模塊的接線位置及相應(yīng)線號的打印，進(jìn)而為后續(xù)PLC程序開發(fā)和現(xiàn)場對應(yīng)接線奠定基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)控滾齒機(jī)RT機(jī)能用PLC程序開發(fā)

在配置了SINUMERIK系統(tǒng)的CNC機(jī)床上，若要實(shí)現(xiàn)過程映像輸入/輸出信號與M代碼輔助機(jī)能的邏輯控制、完成數(shù)據(jù)的采集分析和任務(wù)處理，就得應(yīng)用內(nèi)置式PLC，并編寫具有一定邏輯順序的梯圖程序。

（1）新編MC2與RT交互梯圖。在FML中，MC2已由早先的單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)镽T控制下的聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。據(jù)此，RT應(yīng)獲知MC2是否準(zhǔn)備就緒、有無報(bào)警、所處加工方式、是否切削完畢及操作門是否打開等實(shí)時(shí)狀態(tài)，以決定下步指令能否安全發(fā)出；當(dāng)然，RT也要將自己所處加工方式和實(shí)時(shí)位置等告知MC2，以便MC2對即時(shí)的開/關(guān)門、夾/松工件、切削起/停等動(dòng)作做出判斷——條件滿足方可動(dòng)作。

MC2與RT握手的梯圖中，若MC2的液壓泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)（Q2.0=1），S120驅(qū)動(dòng)器正常啟動(dòng)（I8.3=1），緊急停止已釋放（V27000000.1=0）且3個(gè)坐標(biāo)軸均已回零完畢，則Q4.1線圈通電使中間繼電器KA41通電，進(jìn)而RT獲知MC2已準(zhǔn)備就緒。若MC2側(cè)有報(bào)警使輔助邏輯線圈M60.0通電（其常閉觸點(diǎn)*M60.0＝0），則持續(xù)通電的線圈Q5.2變?yōu)槭щ姞顟B(tài)，進(jìn)而RT獲知MC2出現(xiàn)報(bào)警并停止發(fā)送下步指令。若MC2在自動(dòng)方式（V31000000.0=1）下已執(zhí)行加工程序結(jié)束代碼M02（V25001000.2=1），其操作門已打開到位（I1.4=1使M60.7=1），MC2獲知RT處在自動(dòng)方式（I8.5=1），則Q2.7線圈通電并自鎖→中間繼電器KA27通電→RT獲知MC2已切削完畢。

MC2循環(huán)啟動(dòng)控制梯圖中，要在MC2單擊運(yùn)轉(zhuǎn)的循環(huán)啟動(dòng)邏輯下，添加聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的RT發(fā)出循環(huán)啟動(dòng)指令I(lǐng)8.6的邏輯。此時(shí)，3個(gè)坐標(biāo)軸已回零完畢的MC2應(yīng)處在自動(dòng)方式，MC2的尾架頂尖已在RT控制下2次夾緊工件到位（C2=1使Q0.6=1），MC2側(cè)面的掛輪箱門已關(guān)閉（I4.7=1），MC2MC2獲知RT處在自動(dòng)方式（I8.5=1）且RT停在安全位置（I4.5=1），則接口信號線圈V32000007.1通電并使MC2在802Dsl系統(tǒng)控制下循環(huán)啟動(dòng)。

（2）新編自動(dòng)門開/關(guān)梯圖。在FML中，MC2的操作門不僅要在單機(jī)調(diào)試下經(jīng)MCP按鈕手動(dòng)打開與關(guān)閉，還要在聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下經(jīng)由加工程序內(nèi)的輔助功能M代碼自動(dòng)打開與關(guān)閉。對于I/O點(diǎn)富余較多的聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下的MC2，也可經(jīng)由RT發(fā)布MC2操作門打開指令與關(guān)閉指令。MC2操作門不管怎樣打開（關(guān)閉），既要做到光電開關(guān)獲知其是否已打開（關(guān)閉）到位，以保證開門狀態(tài)下裝/卸料（關(guān)門后主軸方可運(yùn)轉(zhuǎn)）；又要做到打開到位檢知信號延時(shí)3～5 s后送至RT側(cè)，以保證RT準(zhǔn)確獲知MC2切削工件完畢的信號Q2.7；還要做到門打開氣閥與門關(guān)閉氣閥的互鎖控制——彼此串接對方線圈的常閉觸點(diǎn)，以確保兩者線圈不會(huì)同時(shí)得電。本案例采用輔助功能代碼M46自動(dòng)開門，M47自動(dòng)關(guān)門。

手動(dòng)除屑改造為電控吹氣自動(dòng)除屑。也就是，先由加工程序內(nèi)的輔助功能代碼M54開啟自動(dòng)吹屑?xì)忾y，再在主軸停轉(zhuǎn)前經(jīng)程序段“G04 F5”延時(shí)吹屑5 s，最后用M55代碼切斷M54自動(dòng)吹屑回路。對于M54和M55等輔助功能代碼，在接口信號V32000006.1=1（0）時(shí)，PLC向NCK傳送的讀入禁止有效（無效），程序段不可（可以）向下繼續(xù)執(zhí)行，此點(diǎn)類似于FANUC系統(tǒng)內(nèi)M/S/T碼執(zhí)行完畢的FIN信號G4.3。

（3）新編尾架頂尖2次夾/松梯圖。先前，MC2的尾架頂尖（下稱尾架）既可在JOG方式下經(jīng)MCP按鈕手動(dòng)上升與下降，也可在MDA或AUTO方式下經(jīng)加工程序內(nèi)M代碼自動(dòng)上升與下降。但在FML中，MC2的尾架不僅要具備單機(jī)調(diào)試的手動(dòng)升/降機(jī)能和單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)升/降機(jī)能，還要具備聯(lián)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的RT使其升/降機(jī)能，并可在1次指令下2次夾緊工件。

RT側(cè)MC2尾架升/降的控制策略：AUTO方式（V31000000.0=1）下MC2操作門已打開到位M60.7=1→MC2無任何報(bào)警M60.0=0→MC2經(jīng)信號I8.5獲知RT處在AUTO方式→MC2尾架已上升到位I6.3=1→RT向MC2傳送尾架下降命令I(lǐng)8.2=1→線圈Q2.4通電使液壓閥YV3動(dòng)作→尾架1次下降夾緊工件→下降延時(shí)T6=3 s后觸發(fā)2次上升命令M70.0→線圈Q2.3通電使液壓閥YV4動(dòng)作→尾架上升松件（T7=0.5 s）→延時(shí)0.7 s（T7＋T8）后觸發(fā)2次下降命令M70.1→線圈Q2.4再次通電使液壓閥YV3動(dòng)作→尾架2次下降夾件并保持→加計(jì)數(shù)器C2計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置值（PV）→MC2經(jīng)信號Q0.6向RT傳送MC2已2次下降夾件完畢→RT回退至安全位置并將其狀態(tài)經(jīng)信號I4.5告知MC2→RT經(jīng)信號I8.6向MC2發(fā)送循環(huán)起動(dòng)命令→MC2執(zhí)行加工程序以切削工件→切削完MC2經(jīng)信號Q2.7告知RT→得知MC2操作門已打開到位的RT至卸料處夾持住工件→RT經(jīng)信號I4.6向MC2發(fā)送尾架上升松件命令→線圈Q2.3通電使液壓閥YV4動(dòng)作→尾架上升松件已到位I6.3=1→MC2經(jīng)信號Q0.5向RT傳送MC2尾架已松件結(jié)束→RT將MC2已切削完的工件取出并再次上料→下一個(gè)循環(huán)開始。

3 應(yīng)用效果

（1）在滾齒機(jī)開發(fā)并應(yīng)用機(jī)器人機(jī)能，不僅使其操作門由按鈕手動(dòng)控制改造為M代碼（M46～M47）自動(dòng)控制，還使其工件殘屑由外置氣槍手動(dòng)清除改造為M代碼（M54～M55）自動(dòng)吹除；不僅使其尾架頂尖的1次夾緊改造為2次夾緊，還使其循環(huán)起動(dòng)的單機(jī)控制改造為FML聯(lián)機(jī)控制；不僅使流水式半自動(dòng)化的主動(dòng)錐齒輪生產(chǎn)線升級為自動(dòng)化程度較高的柔性制造線，還使生產(chǎn)線雙班作業(yè)下日產(chǎn)錐齒輪數(shù)量由220件提升至（290～310）件；不僅使生產(chǎn)線的操作人數(shù)由3名減為2名，還大大減輕了操作者搬運(yùn)工件的苦痛及消除了搬運(yùn)中潛在的安全隱患。

（2）在滾齒機(jī)開發(fā)并應(yīng)用機(jī)器人機(jī)能，汽車行業(yè)的同類設(shè)備可參照執(zhí)行，航空、鐵路、船舶等行業(yè)的相關(guān)設(shè)備也可參考借鑒。同時(shí)，為充分適應(yīng)我國智能化制造的現(xiàn)狀，各機(jī)床制造廠商應(yīng)在新造設(shè)備時(shí)預(yù)留機(jī)器人機(jī)能，促使未來的制造業(yè)快步向智能工廠邁進(jìn)。

〔編輯凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.43