数控机床自动上下料工作站实验装置的设计与开发*

韩金利

(山西机电职业技术学院 数控工程系，山西 长治 046000)

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[1]。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 IRC5 compact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[2]，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[3]；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[4]，故数控系统内装PLC与总控交互信号设定在PP72/48 I/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IRC5 compact 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(CPU 1212C)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250 ms。

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

图3 上下料工作站流程监控界面

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。