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筒体自动化机加产线总控系统设计和开发

时间:2021-11-18 15:45:36来源:武汉重型机床集团有限公司

导语:​ 针对某用户单位筒体自动化机加产线数字化和智能化的设计需求,基于西门子S7-1500 系列PLC控制器和WINCC上位软件平台,本文设计了该自动化机加产线的总控系统,并通过对机加产线的生产调试和投产运行,最终实现了该自动化机加产线的功能要求。

  1.研究背景

       在机械制造行业中,降低生产成本,提高生产效率,是目前很多企业所追求的,而实现生产过程全自动化是达到此目的的一种有效方法。当今计算机通信技术以及微电子等技术的不断发展,为实现生产自动化控制奠定了良好的控制系统的基础。随着自动化工装夹具,数控机床,自动化物流搬运技术的成熟应用,国内众多制造企业已经开始将自动化生产线的模式引入到实际的生产过程中,并取得良好的效益。

  本单位承接了筒体自动化机加产线总控系统设计的需求,实现产品流水线加工自动化控制,具备高可靠性的实时物流调度控制、自动检测控制、上下料控制的要求,并具有产线设备状态监控界面和便于人工操作的异常处理交互界面。同时,产线总控系统需支持与企业上层制造信息管理系统(MES)进行生产信息交互。

        2.产线介绍

  该产线由两条并行的生产流水线组成,其布局图如图1所示。

产线布局.png

1-AGV;2- 滚筒线;3-1# 桁架机械手;4-2# 桁架机械手;5-3# 桁架机械手;6- 缓存链条机;7-6 轴机器人;8-1# 车床;9-2# 车床; 10-3# 车床;11-1# 视觉检测;12-2# 视觉检测;

  图 1 产线布局

  产线主要设备由3台物流转运AGV、1套自动滚筒线、6台桁架搬运机械手、6台卧式车床、2套视觉检测、2台缓存链条机和1台6 轴机器人组成。其中滚筒线和6轴机器人为两条并线流水线共用的设备,分别位于产线的初始上料位置和下料位置。现场实物如图2所示。

现场设备图.png

图 2 现场实物图

  3.总控系统组成

  为满足自动化流水线控制的设计要求,总控系统功能主要由自动化集成控制、过程监控、异常处理和数据集成四大块构成,其功能框图如图3所示。

总控系统功能框架.png

 图 3 总控系统功能框架

  3.1 自动化集成控制单元

   总控系统根据生产管理接收到的计划指令,解析生成线内所有设备的执行指令, 实现所有工位联动控制或单工位独立控制。自动化集成控制单元作为总控系统的核心功能,主要通过获取线上所有设备状态信息, 加工零件信息,再经过分析和逻辑判断实现产线加工自动化控制。其控制对象主要包括AGV物流自动化调度,桁架机械手搬运和上下料动作,数控车床自动加工,自动装夹定位,自动检测控制以及6轴机器人码料控制等功能。

  (1)物流自动化调度

  产线物流自动化调度由3台AGV完成。主要为毛坯物料运输和空托盘周转。当滚筒线边无料时,总控系统发送“缺料”指令给AGV,AGV将在制品毛坯物料从库房搬运至上料滚筒线边。完成后,滚筒线边的空托盘需运转出,则总控系统发送“空托盘转出”指令给AGV,AGV收到指令后将滚筒线边的空托盘运出,送至库房的空托盘缓存位。

  (2)桁架机械手搬运和上下料

  每条产线搬运和上下料工作由3个机械手来完成,机械手的控制流程如图4.1、图4.2、图4.3所示。

机械手动作控制流程.png

图 4.1 1# 机械手动作控制流程

     

2# 机械手动作控制流程.png

  图 4.2 2# 机械手动作控制流程

3# 机械手动作控制流程.png  

  图 4.3 3# 机械手动作控制流程

  其中,1#机械手负责从滚筒线托盘上取毛坯料,再将毛坯料运至1#/2#车床上料加工。

  2#机械手负责从1#/2#车床上下料,再将料搬运至1#检测位检测,检测完成后,系统将检测数据保存,同时2#机械手将检测完成的工件搬运至3#机械上料加工。

  当3#车床加工完成后,3#机械手负责从3#车床将料取出,送至2#检测位检测,2#检测位检测完成后,根据检测结果,3#机械手再将料放置对应的链条机缓存位。

  (3)数控车床及自动检测设备

  数控车床和检测设备负责产品的加工和检测。每台设备均有等待、工作、完成、故障等状态;总控系统根据各设备的状态情况以及当前零件的加工工序,自动发送对应指令给各设备,执行产线各设备有序加工。

  自动检测设备在完成工件检测后,将数据存储在指定的地址中,并发送检测完成信号,总控系统根据信号和地址, 将自动获取当前工件的所有检测数据,并将其存储在数据库字段中,并通过后台处理程序定时向MES系统上报数据。

       3.2过程监控单元

  过程监控单元实时监控产线设备的运行状态,具有人机交互界面。在产线运行过程中,如设备出现故障报警时,过程监控单元的监控窗口并出现图形化提示,同时报警蜂鸣器鸣响。随后,操作人员便根据设备的报警提示介入产线人工操作模式,对设备异常进行排查。过程监控界面如图5所示。

过程监控界面.png

图 5 过程监控界面

       3.3异常处理单元

  自动化产线需要连续不间断运行,对设备的稳定性和可靠性提出了非常高的要求。产线所组成了设备越多,根据故障率的计算方式,其发生故障停线的概率相对来说也越大。产线故障停线难以避免的,当产线出现故障异常时,如何在排除异常后,让产线回复到停线前的模式下继续运行,需要根据产线工艺流程制定一个行之有效的异常处理流程。而对于产线的总控系统,就得必须具备异常处理的人机交互接口。该产线的异常处理人机交互界面如图6所示。

产线异常处理人机交互界面.png

图 6 产线异常处理人机交互界面

       根据异常处理方法的不同,可以将该产线的异常分为以下几类,处理方式如下所述:

  (1)设备加工过程出现故障停机报警

  处理方式:产线暂停,人员介入产线排查故障,待故障清除后,复位故障设备,产线继续运行。

  (2)桁架机械手与设备上下料对接过程中出现异常

  处理方式:产线暂停,视情况决定是否将物料取下,如需要取下则将机械手切换至手动模式,将物料取走,再将机械手恢复至待机位,而后,产线恢复继续运行。

  (3)产线缺料或错料异常报警

  处理方式:产线暂停,缺料状态可等待物料到位便可以自动恢复运行;错料状态需人员将错料取走,并通过人机交互接口修改对应托盘物料数据,而后产线便可恢复继续运行。

  (4)不良品缓存位溢出报警

  处理方式:产线暂停,需人员介入将不良品缓存位物料取走,待缓存位清空并准备完毕后,手动恢复产线继续运行。

  3.4 数据集成

  产线上层有MES、ERP、SAP等信息化管理系统。总控系统需要接收MES系统下发的生产计划。在产线运行期间, 总控系统将该产线的设备信息、生产数据、异常记录、操作日志等收集并上报至上层信息管理系统。该产线总控系统利用车间的以太网网络,采用中间数据库的形式与上层的信息化系统进行数据传输。

作者:

武汉重型机床集团有限公司 徐黎明 赵明 吕洪杰 张圣平 余汉延

标签: PLC机器人

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