桁架式全自动生产线的智能化设计

王龙昌，王立伟，丁希波

（滨州渤海活塞有限公司，山东滨州 256602）

0 引言

目前市场上有多种实现自动上下料的方式，例如工业机器人、“一个流”式生产线、桁架机械手等。其中，工业机器人因手臂的跨度范围小，只能服务有限的几台机加工设备，若要服务更多的设备，则需要增加地轨或者桁架来辅助机器人移动，从而导致成本的上升；“一个流”式生产线上的各工序只能有一个工件在流转，但生产线上各工序之间的加工节拍差距太大，使用“一个流”式生产线无法实现加工节拍的最优化；桁架机械手的跨度范围大，能够轻松的服务多台设备，能够方便的修改服务顺序，是目前最适合活塞生产线的自动化方案。将从机械结构、电气控制方案、安全机制3 方面来讲述本次设计。

1 机械结构

本次设计的桁架线的结构如图1 所示：桁架式机械手由水平轴X 轴和竖直轴Z 轴2 个轴组成。桁架线的控制技术指标：X 轴最大运行速度为150 m/min，最大加速度2.5 m/s2，机械手重复定位精度±0.1 mm。Z 轴最大运行速度为110 m/min，最大加速度2 m/s2，机械手重复定位精度±0.1 mm。Z 轴负载75 kg，含竖梁、气爪、连接板、电机、减速机及两个工件的重量。

图1 桁架线结构示意

桁架机械手设有5 个气缸来实现换料动作，分别是装载爪气缸、卸载爪气缸、旋转气缸、插销机构伸缩气缸和插销机构夹松气缸。气缸动作时，必然需要位置检测，本次桁架机械手是通过磁性开关来实现位置检测。每个工序间设有一个翻转台，当前、后两道工序的设备装夹姿态不同时，用以变换工件姿态。

2 电气控制方案

控制方案规划阶段，为了实现整条桁架线的智能化控制，需要选择一个开放性比较强且能够实现源代码编程的控制系统。经过反复对比，最终选定了贝加莱数控系统。贝加莱数控系统提供一个基于源代码的开放性平台，通过PLC 和NC 相结合的方式，可以轻松实现上述功能。贝加莱控制系统拥有高度的可扩展性，可以使用一个平台覆盖所有的需求，从最小的控制器一直到CNC、机器人技术和过程控制应用。此外，该平台还可以进行编程和配置，无论使用何种硬件，都可以通过Automation Studio 实现。这种兼容性不仅降低了开发成本，而且还确保了机器在整个生命周期中的投资安全性。

由于机加工设备种类多种多样，加工节拍长短不一，经常出现机械手在加工节拍长的设备上方长时间等待的情况。为了避免这样的情况发生，在机加工设备的数量上做了优化：加工节拍长的机加工设备配置两台甚至更多，加工节拍短的机加工设备只配置一台。这时出现多台机加工设备加工同一个工序的情况，把这种情况叫做“并序”；当所有的机加工设备的加工节拍都比较长时，一个机械手完全有能力服务两个甚至更多的工序，把这种情况叫做“顺序”。每一个机械手所服务的设备都有可能出现“并序”或者“顺序”或者两者都有的情况，为了统一标准，在设计机械手的程序时，规定每个机械手最多可服务3 个“顺序”工序，分别标识为A 序、B 序和C 序；每个“顺序”的工序最多包含4 台“并序”的设备，分别标识为1、2、3、4；所以每个机械手最多可服务12 台设备，即A1-A4、B1-B4、C1-C4。这样做带来的新的问题是，这12 台设备不是全部配置的，需要在人机界面上做选择框，来选择这12 台设备需要启用哪几台，启用的这几台设备之间是“并序”关系还是“顺序”关系。“并序”关系的机床换料过程完全一致，只是换料时的机械手的坐标不同，因而只需要做一套NC 程序，将需要换料的机床的换料坐标由PLC 传递给NC 即可。这些复杂的逻辑难以通过普通的CNC 实现，但是可以通过贝加莱的源代码编程轻松解决。

为了节约控制成本，本次设计采用双通道控制，两个机械手共用一个CPU。同时，整条桁架线所有的CPU 均通过Ethernet连接，从而实现了整条桁架线的数据采集，并可以连接ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）系统和MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）系统，响应“中国制造2025”。

根据控制方案，CPU 需要与每台机床进行信号交互、控制机械手爪的动作、与前后料道进行信号交互，这些控制点都比较分散，直接采用信号线进行交互的话，不仅控制成本增加，而且故障率高、不易维修。经研究，决定采用贝加莱远程I/O 模块，具体配置如下：

（1）每台机加工设备里放置1 个远程I/O 通信模块，并配置8 点的DI 输入模块和8 点的DO 输出模块各1 块，用以CPU 与机床的信号交互。

（2）每个料道放置1 个远程I/O 通信模块，同样配置8 点的DI 输入模块和8 点的DO 输出模块各1 块。

（3）每个机械手爪配置1 个远程I/O 通信模块，并配置3 块8 点的DI 输入模块和2 块8 点的DO 模块，用以控制机械手爪的动作。

每个远程IO 通信模块都有特定的站地址，对应不同的硬件地址。在调试初期，做好站地址的划分：两个机械手的远程I/O通信模块的站地址是3 和4，上下料料道的远程I/O 通信模块站地址是5 和6，第一个机械手所对应的12 台机床的站地址是7～18，第二个机械手所对应的的12 台机床的站地址是19～30。当机床的加工顺序改变时，只需改变远程/IO 通信模块的站地址及人机界面的工序选择即可。例如，第一个机械手服务两台并序的设备，分别是A1 和A2，对应的站地址分别是7 和8，由于工艺的变更，这2 台设备需要顺序执行，即改变为A1 和B1，对应的站地址分别是7 和11，就把第二台机床的远程通信模块的站地址由8 改为11，再把人机界面上的A2 去掉，勾选B1 即可。

3 安全机制

3.1 安全区域

桁架机械手因结构的原因，必须设置X 轴和Z 轴的安全区域，用以保证桁架机械手不会与机床、料道间产生碰撞。每台设备顶部都设有天窗，机械手仅能通过天窗进入机床内部进行换料，极易与天窗产生碰撞，同时因空间有限，机械手也容易与上、下料料道发生碰撞。为此，在设计机械手PLC 程序的时候，增加了“安全区域”的功能，具体做法如下：

在机械手的人机界面上，根据机床和上、下料料道的数量，设置相应个数的“X 轴安全区间”，每个“X 轴安全区间”由“起始点”和“结束点”组成。操作者移动机械手，记录机械手处于机床的天窗区域或者上下料料道的托盘区域时的X 轴坐标值，并将这些坐标值填入对应的“起始点”和“结束点”输入框内。同时，在机械手的人机界面上设置一个“Z 轴安全位置”，对应机械手处于机床上方时的Z 轴坐标。

机械手的“X 轴安全区间”和“Z 轴安全位置”设定完成后，由以下3 种情况来防碰撞：

（1）机械手的Z 轴在“Z 轴安全位置”以上时，X 轴可以任意移动。

（2）机械手Z 轴向下移动至“Z 轴安全位置”时，若X 轴处于任意一个“X 轴安全区间”内，则Z 轴可以继续向下移动，若X轴不处于任何“X 轴安全区间”，机械手报警并停止轴的运动，且Z 轴只能手动向上运动，直至报警消除。

（3）机械手Z 轴处于“Z 轴安全位置”以下，且X 轴处于任意一个“X 轴安全区间”内时，X 轴可以移动，但要实时监测X 轴是否超出“X 轴安全区间”，若超出，则报警并停止轴的运动，且X轴只能手动向触发报警时的反方向运动，Z 轴只能手动向上运动，直至报警消除。

3.2 关键点检测

桁架机械手采用的是半闭环控制，编码器安装在电机的端部，电机靠联轴器带动机械手进行水平和竖直运动。当联轴器损坏或者发生其传动链上的故障时，电机正常转动，但是机械手没有动作，就会产生撞车的危险。例如，X 轴的联轴器在运动过程中发生故障，致使机械手停止在机床防护罩上方，若此时机械手继续执行Z 轴向下进入机床内的动作，就会与机床防护罩发生碰撞，极其危险。

为防止此类问题的发生，采取了关键点检测的方法。目前统计的X 轴关键点包括：取料位置、机床的换料位置、翻转台位置、卸料位置、抽检位置，Z 轴关键点只有一个，即Z 轴的安全位置。在这些关键位置上安装检测撞块，同时在X 轴和Z 轴上各安装一个检测开关。每当机械手运动到这些关键点时，都要判断检测开关的信号是否为“1”，若是“1”，机械手继续执行下一步动作，若不是“1”，则证明机械手未能准确的运动至设定位置，需要机械手报警并停止NC 运行。

4 结束语

本次设计的桁架式生产线智能化高、操作简单，处于国内领先水平。经过两年的实际运行和不断优化，该控制方案趋于完善。现公司已大批量投制该类生产线，并积极开拓外部市场，相信在不久的将来会得到更广泛的应用。