（机械电子工程专业论文）冲压自动生产线控制系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 冲压生产线作为冲压装备的一种重要应用形式，在实际的工业自动化领域有 着极其广泛的应用和市场。随着科技进步和各个相关学科的迅猛发展，冲压生产 线的自动化趋势已经不可逆转，以现场总线技术为通信方式构成的分布式控制系 统正在成为生产线自动化的有效途径，因此开发生产线的电控系统是一项非常重 要的实用工程项目。同时，电控系统的通信在选取合适的总线协议时，网络信息 传输的实时性是主要指标，而现在对总线的实时性分析还并不充分，因而对总线 协议的分析，以及结合具体应用场合将分析扩展为实际和可视的指标化并具备可 计算性是十分必要的。 本文根据生产线的工艺及要求，首先对生产线进行整体布局及设计，并具体 对各个组成单元( 线首拆剁单元、压机单元、机器人单元、线尾出料单元) 进行 选择和设计。生产线电控系统的方案设计是生产线系统的重要组成部分。本文列 出两种方案，比较后得出了合适的电控方案。然后对电控系统的重要部分进行了 硬件选型，对系统的安全性进行了设计。 生产线电控系统的通信网络，选择p r o f i b u s d p 作为通信协议。p r o f i b u s 作为令牌环主从站式通信协议，其数据链路层的m a c 协议对系统的实时性有着 重要影响和作用，文中分析了它的工作机理，并尝试对其m a c 协议进行了修改， 建立了相应的数学模型并推导了与实时性相关的一个计算公式。但新协议的参数 性能的分析与实际应用还不够丰富，可以以本文相关内容为基础，进行进一步研 究。 文中完成了对通信信息类型的总结，然后明确了通信的主站和各个从站的通 信元件及方式，针对建立的单主站系统和多主站系统进行了说明并详细分析了他 们的实时性，提供了一套实时性分析的方法和公式。最终确定了生产线的通信方 案，进而设计的连线流程和连线图。最后，本文设计了生产线电控系统的工作时 序、各种动作流程及软件框图。 关键词：冲压生产线，p l c ，现场总线，i 冲o f i b u s ，实时性通信 重庆大学硕士学位论文 l i a b s t r a c t i ns h e e tm e t a ls t a n 叩i 1 1 9e q u i p m e n tf o r v 撕o u sk i n d so fs t 锄p i n g s t 锄p i n gp r o d u 曲o n p r o c e s s i n go b j e c t ，t h ep r o i h j c t i o n o f 1 i n ea ss t 锄p i n ge q 啦e n t i sak i n do f i i n p o r t a n ta p p l i c a t i o nf o 珊s ，i nt h ea c t i l a lo f i n d u s t r i a la u t o m a t i o na r e ah a se x 仃e m e l y e x t e n s i v ea p p l i c a t i o na 1 1 dm 破e t a 1 0 n gw i m 也ep r o 黟e s so fs c i e n c e 姐dt e c h n o l o g y a i l da l lr e l a t e dd i s c i p l i n eo fr a p i dd e v e l o p m e n t a n ds t 锄p i n gp r o d u c t i o nl i n eo f a ：u t o m a t i o n仃e n dh a s i r r e v e r s i b l e t h ef i e l d b u st e c l l i l 0 1 0 9 y t of o mf o rt h e c o m m u n i c a t i o no fd i s 证b u t e dc o n 仃0 1s y s t 锄i sb e c o m i n gp r o d u c t i o nl i n ea u t o m a t i o ni n a ne f r e c t i v ew a ya r l dn o w o nt h eb u si sn o t 被a l y s i so ft 1 1 eb u sa 铲e e m e n t i sv e r yn e c e s s 哪 如l l yt h er e a l - 缸ea i l a l y s i s ，s om a tt h e t h i sp a p e ra c c o r d i n gt om et e c h n i c a l 嘲u i r 锄e n t o fp r o d u c t i o nl i n eo ft 1 1 eo v e r a u 1 a y o u ta z l dd e s i 班，趾d 印e c i 6 c a l l yt oe a c hc o m p o n e n tu n i td e s i 弘e da n di n t r o d u c e d ， i n d u d e ：t h ef i r s t 珊i to ft h el i n e ，p r e s s 珊i t s r o b i o tc e l ll i n et a i lm t t h e n ，t h ep 印e r a n a l y z e sm ep r o d u c t i o nl i n eo f w o r kt i m i n ga n da c t i o np r o c e s s 1 1 1 i sp 印e rm a d ea ni n t r o d u c t i o na 1 1 da na l l a l y s i so nm ew o r b n g m e c h 鼬l s mo 士t h e f d lo f 也ep r o 丘b u sp r o t o c o l ，t 1 1 e nt h em a cl a y e rp r o t o c 0 1o fn l ep r o 舢u s 。d pw a s m o d i f i e d b e s i d e s ，b a s e do nt 1 1 eq u e u i n gm e o 彤“sp a p e ra l s om a d ea m o d e lo tt h e n e wm a c1 a y e rp r o t o c 0 1 ，a i l dar e s p o n s ew a i t i n gt i m ef o m u l aw a s 甜i e 玎e d 曲m t h e d v n 锄i ct i m el i m i 僦 s e r v i c es t r a t e g y f i n a l l y ，缸o u 曲 t h ec a l c u l a t i o n o ta i l e x a m p l e ，廿1 i sp 印e ri l l u s t r a t e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er e s p o n s ew a l t l n g 乜m e a n dt h e t a r g e tp o l l i n gc y c l e t h ep a p e rc h o o s e sp r o 舶u s d pa st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i k sp a p e rm a d e m ec o m p l e t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o na 1 1 di i l f o m a t i o nt y p e so fs 咖哪。i h e a i t l c l e c o n f i m e dm ec o m m u n i c a t i o no fc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n dl o r dw a y a b o u tm a s t e r s t a t i o na n ds l a v es t a t i o n f o r t h ee s t a b l i s 衄e n to fas i n 9 1 e m a s t e r s y s t e i n a n d m u l t i m a s t e rs y s t 锄s ， 也ep a p e rd e s c 曲e s ad e t a i l e da n a l y s i so f 也e l r r e a l 。n m e p e r f - o m a n c e k e y w o r d s ：s t 锄p i n gp r o d u c t i o n “n e ，p l c ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s ， r e a l t i m ec o m m l l 】1 i c a t i o n i u 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 课题背景和国内外应用现状 1 1 1 课题背景 冲压装备以金属板材为加工对象，生产各种各样的冲压件，广泛应用于汽车、 机械、电器、仪表、航空等行业。据不完全统计，轿车零部件中占4 0 以上的是 金属板材冲压件。冲压装备自动化主要是指材料供给、模具更换、废料的排出、 冲床的调整与运转、冲压过程异常状况的监视等作业过程自动化，将这些技术应 用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化。目前，随着我 国的国民经济的迅猛发展和公民生活水准的不断提高，国内市场对汽车的需求越 来越大，汽车工业已成为我国的支柱产业之一。汽车品种的变化和更新换代，都是 以汽车车身的改变最为突出。车身覆盖件是汽车车身内、外表面的蒙皮零件，是汽 车车身的改变或者更新的主体，其制造工艺及质量水平将直接影响到汽车的制造 质量和制造成本 1 】。而覆盖件冲压生产线的选择又直接关系到冲压工艺过程的完成 及产品质量、产品成本、生产效率、设备安全、模具寿命等一系列问题。鉴于我 国汽车工业生产集中度较低，新车型换代越来越频繁的客观事实，在未来几年， 单机联线自动化冲压线仍然是发展主力，所以对于单机联线自动化冲压线的研究、 设计、优化及应用将对包括汽车工业在内的许多工程领域有重要意义，因而冲压 装备技术将对国民经济的发展将起到重要的推动作用。 以现场总线技术为通信方式构成的网络控制系统及分布式控制系统，正成为 工业自动化控制领域的主力军【2 】。现在应用广泛的总线协议种类和类型繁多，在选 取合适的总线协议并组成网络控制系统时，网络信息传输的实时性与可靠性是主 要依据和指标，而现在在很多具体应用场合，对总线的实时性分析还并不充分， 因而对总线协议的内部通信机理的分析，以及结合具体应用领域和场合将分析扩 展为实际和可视的指标化并具备可计算性是十分必要的，更进一步，甚至可以对 现有协议中某些部分进行改进，以更适于需要的现场现状。 1 1 2 国内外应用现状分析 冲压生产线国内外现状 冲压设备及生产线发展至今，主要有以下几种：传统大型冲压生产线、单机 联线自动化冲压线、大型多工位压力机等。传统大型冲压生产线通常以一台双动 拉延机械压力机与数台单动机械压力机为主机，主机之间设置一个工件翻转装置， 采用人工或机械的上下料方式，组成机械化或半机械化流水生产线。这种生产线 在国外实际生产中应用了将近半个世纪，现在基本已经被淘汰。而在国内，还存 重庆大学硕士学位论文 在着大量的这一类型的生产线，不过为了克服传统机械压力机在合模时冲击速度 过高、公称力不能及时达到而不能冲压、深拉、延件的缺陷，我国新建大型冲压 生产线的拉深压力机开始采用多连杆技术。 单机联线自动化冲压线通常配置为5 6 台压力机，拆垛、上下料机械手、穿 梭翻转小车和码垛系统等，具有冲压质量稳定可靠、生产安全性高和柔性好的特 点。近年来，在国内外都有迅速的发展和应用，成为汽车大型覆盖件自动化冲压 生产的先进工艺技术之一，而且发展势头强劲。在国外，这种类型的生产线，比 如机器人冲压生产线已成功运用多年。而在压力机方面，国外在全自动关键技术 上又取得很大进展并得到成熟应用，例如全自动换模系统、拉伸垫数字控制技术 和功能完善的触摸屏监控技术等，使单机联线生产效率逐年提升。在国内，随着 汽车工业迅猛发展，急需高水平的自动化冲压生产线，或对现有的冲压线进行自 动化改造【3 】。现在，国内大约1 0 的现存冲压生产线属于这种类型的生产线，并 且大部分是由国外进口的。济南二机床集团在单机联线自动化冲压线的开发和应 用的很多方面都代表了国内的先进水平。比如：2 0 0 4 年，济南二机床集团为哈飞 提供的两条压力机生产线将配备全自动上、下料机械手系统。该系统全部采用的 技术，由自动拆垛、自动对中、上、下料机械手、传输装置组成，配有先进的电气 数控系统。2 0 0 9 年j 由济南二机床集团承担的国家科技支撑计划项目“全自动快速 柔性冲压生产线的开发研制”通过了国家级验收。该种生产线集成了整线快速送料 技术，采用大吨位、长行程八连杆驱动技术、压力机多点卸荷技术、全线联动全 自动换模技术等一系列当今国际先进水平技术，具有柔性、高效、智能的突出特 点，并能实现远程通讯、故障诊断；集机、电、仪、计算机控制于一体，采用人 机对话、自动调整、模具识别、连网过程监控等技术。 大型多工位压力机是目前世界上最先进、最高效的板材冲压设备，它代表了 目前车身覆盖件冲压成形的最高水平和发展方向。大型多工位压力机一般由拆垛 机、大型压力机、自动送料系统和码垛系统等组成。据美国精密锻压协会统计， 美国三大汽车公司6 8 0 多条冲压线中有7 0 为多工位压力机；日本在美国的3 5 条 冲压线中有2 4 台多工位压力机，占6 9 ；日本国内的2 5 0 条冲压线中，有8 0 多 条多工位压力机，占3 2 。在我国，由于大型多工位压力机结构复杂，造价昂贵， 占用资金非常大，并且柔性不及单机联线自动化线，所以几乎还为空白，但也已 开始有应用，比如一汽大众就已投入使用了两台8 0 0 0 l 斟三坐标多工位压力机。 p r o f i b u s 实时性研究国内外现状 现场总线控制系统在选择通信协议与进行具体设计其通信方法时，系统的实 时性与可靠性是必须考虑的重要指标和决定因素【4 】。对包括p r 0 舳u s 在内的现场总 线实时性的研究，正变得越来越受重视，是现场总线技术领域重要的研究方向之 2 1 绪论 一。例如：r 旬a 、s 1 1 i n 等已经对w 矾d f p 、c a n 等总线协议的实时性分析很多分 析与评价舯j 。而对于p r o 舶u s 的实时性能研究也同样广泛。比如：t o v e r 和v a s q u e s 分析了令牌的实际运行周期、并在不同条件下对p r 0 助u s 进行了实时性的可调度分 析p 塔j 。也有些论文研究了基于截止期的p r o 助u s 的m a c 层的预运行期调度方法。 同时，国内也对此方面的内容进行了许多实际的研究。上海大学的机电系、浙江 大学等一些高校的学者就p r o f i b u s 协议的内部运行方式有过很深刻的分析，并 尝试修改部分协议内容以扩展其适应性【9 。1 们。 1 2 课题研究目的、内容、技术路线 1 2 1 研究目的 通过对生产线的各方面的研究，使整线实现自动化、系统功能强大、安全可 靠、操作灵活、有效减轻工人劳动强度、提高经济利益，使系统具有先进性、集 成性、模块化、可扩展性、可操作性，处于国内领先地位。同时，以生产线为模 型，将其电控系统的通信方式的设计具体化，计算方法有据可循。 1 2 2 研究内容 本课题的主要研究内容为首先充分了解和分析现有生产线的现状和发展情 况，并在此基础上，设计出可实现全自动化的单机联线冲压生产线的控制系统， 完成硬件设计，设计各流程图，并确定整个系统的连线方案、策略、模式、流程 图、连线数据结构和格式等。并依据p r o f i b u s 协议，完成通信方式的设计与分 析。 研究自动化冲压生产线系统的总体设计。 对控制系统的硬件进行设计、选型、组态。 设计生产线动作流程、工艺流程、总体时序图。 分析p r o f i b u s 协议数据链路层的具体工作机理。 改进p r o f i b u s 的m a c 层协议。 以生产线电控系统为模型，设计和分析各种通信方式的实时性。 设计整个系统的通信方案及策略，连线流程图及连线数据结构和格式。 1 2 3 技术路线 首先，设计冲压生产线的各个组成单元，并确定其控制方式。选取通信采用 的总线协议并分析其工作机理。然后，建立其通信的模型并进行具体设计和实时 性分析。下面的例子就是通信方式的一种，在后面的本文还将具体分析。生产线 控制系统是将压机和机器人的控制分成两个独立的p r o f i b u s 网络，分别由各自 的主控器来控制各自网络中所连接的现场设备。采用d p 耦合器将两个网络连接起 来，从而实现压机与机器人之间的实时通信和联动控制，达到整个生产线各个部 重庆大学硕士学位论文 分的协调动作。其中压力机自动化连线网络采用s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c 作为主控器，通过p r o 舶u s 总线将分布在各个组成单元的智能型i o 从站、编码器、 直流调速器等器件连接起来。机器人自动化连线网络由s i e m e n ss 73 0 0 系列p l c 作为主控器，通过p r o 助u s 总线管理、控制机器人的运动和线首部分。 1 3 课题重要工作内容 根据生产线的特点、控制系统的组成结构和通信方式的设计方法，本论文的 主要工作可以细分为： 自动上料方式的选择，关键是保证垛料能不间断的供应。 双张检测方法的优化，如何能保证生产的不间断。 生产线硬件系统的设计、选型。 生产线的节拍、时序、流程图设计 对p r o f i b u s 的m a c 层设计修改方式并建立数学模型。 机器人、压机、辅助装置连线模式设计，连线流程图，连线数据结构。 控制器与现场设备、控制器之间的连线及通信方式的设计。 计算和分析单主站系统通信方式的实时性。 计算和分析多主站系统通信方式的实时性。 1 4 本章小结 本章完成了关于论文选题的国内外研发现状的论述，提出了本文的研究目的、 研究内容以及技术路线。最后，提出了本论文的重要工作内容。 4 2 冲压生产线的总体布局及设计 2 冲压生产线的总体布局及设计 2 1 生产线的工艺流程 冲压生产线的工艺流程步骤比较多，但十分清晰，它的简易流程图见下图2 1 所示。 图2 1 工艺流程 f i g 2 1p r o c e s sn o w 有上图所示，主要工艺步骤可以分为： 料垛定位：将板料垛放置在拆垛液压自动调位平台上定位。 拆垛：磁力分离或气动分离，机械手抓取单张料坯( 双料检测) 至清洗平 台磁性传送带上设定位。 清洗：双面刷洗，彻底清除油污、灰垢、颗粒等杂质。 涂油：双面均匀涂刷规定厚度的专用冲压油膜。 定位：进入冲压工序前，板料的精确定位，( 重力加机械复合定位，或视 觉定位) 1 号机械手从定位台抓取板料至1 号压机冲压位。 2 号机械手从1 号冲压位抓取工件至2 号冲压位，依次工作至5 号冲压位。 6 号机械手将工件堆垛或放置在传送带上，或传送到指定位置码垛完成工 作。 2 2 生产线的总体布局及组成单元设计 由对工艺流程的分析可得，该生产线主体设备由冲压工艺相对应的拆垛机、 重庆大学硕士学位论文 清洗机、涂油机、定位设备、5 台液压机、6 台机器人、线尾传动带等串联构成标 准生产线。 2 2 1 生产线的组成单元 主生产线的组成单元 拆垛单元：可移动自动提升式拆垛台车，磁性分张器，高速拆剁机器人。 清洗单元：进给磁性皮带机，清洗机，涂油机，( 视觉对中皮带机) 。 对中单元：重力对中系统或视觉对中系统。 上料单元：上料机器人( 库卡、a b b ) 。 压机单元：5 台压机，5 台高速机器人( 库卡、a b b ) 。 下料单元：高速机器人( 库卡、a b b ) 。 线尾单元：线末皮带机，( 自动码垛) 。 安全防护：全线安全围栏及安全门。 辅助生产线的组成单元 模具单元：包括试模压机、模具维修、模具堆放、小组工作休息室。 生产单元：包括料坯堆放、模具堆放、小组工作休息室。 成品单元：包括质量保证及检测、成品堆放。 2 2 2 总体布置设计 自动化冲压生产线是一个由多种高自动化设备、多环节组合成的大型、复杂 的系统。为了能让其充分发挥最大的生产能力，设计过程中需要对自动生产线进 行合理的规划和布局。 生产线的布局设计按如下步骤进行： 根据生产线的物流方向、工作流程及现场具体情况，合理布置各设备的位 置。步骤如下：根据压机位置、间距及机器人的工作范围来确定机器人的位置；然 后根据模具高度确定机器人基座的高度；再根据生产要求、已确定的机器人位置 及可到达的范围确定对中台等其它设备的位置；然后，进行干涉校验，防止机器 人运动过程中与其它设备特别是压机发生干涉。操作面板等控制设备的布置必须 符合人机工程学原理，方便操作。 按照各设备功率及控制的实际要求确定配线规格、数量；根据各设备现场 具体的位置，规划配线路径，要求路径短，方便接线，并尽量避开干扰源。 最后，根据各设备位置确定电、气接口位置，要求布置合理，连接简单。 根据上述方式进行布局，整个冲压生产线的总体布局图和总体效果图如下图 2 2 和图2 3 所示： 2 冲压生产线的总体布局及设计 图2 2 总体布置图 f i g 2 2o v e r a l la n 锄g e m e n t 图2 3 总体效果图 f 培2 3t h eo w m l le 虢c td i a g r 锄 2 2 3 线首部分设计 随着自动化的发展，在板材加工领域使用自动化送料机构的企业越来越多。 在板材的自动化送料机构中，功能最多、技术要求最高的部分，就是整个自动化 生产线开始位置的拆垛上料机构。选择不同技术水平和功能配置的拆垛上料机构 对生产的影响和价值是完全不同的。它会影响到整个生产线的效率，连续性，生 重庆大学硕士学位论文 产节拍，柔性，加工质量等很多方面，所以必须重视线首部分。 生产线的线首部分的结构如下图2 4 所示。 堆放台升降台拆剁机器人进给皮带 清洗涂油机对中台 一 图2 4 线首部分的结构 f i g 2 4t l l el i n eo f t l l e 觚tp a no f m es t r u c t l l r e 拆垛主要有两种方法，一种是用机器人直接在固定的料垛上抓取单张钢板至 清洗平台上，特点是抓取范围大，垛料可以放置在抓取范围内的任意位置，但抓 取效率较低，1 进入清洗前钢板需要定位。另一种是我们做采用的着一种，垛料通 过小车放置在可以自动升降的液压平台上，其上方的拆垛机器人抓取板料后，放 在磁性传动皮带上( 有具体项目时，可以根据情况，把这里的机器人为了节省成 本可以换成上料机械手) 。特点是抓取板料移动距离短，不需重新定位，效率高。 这里需要详细说明5 点。 第一，线首非常重要的一个环节是如何保证垛料能不间断的供应，从而保证 了生产的连续性、高效率。使用拆剁机器人加上设置两个升降台的办法，循环利 用，即可保证连续性。升降台外形如下图2 5 所示。 2 冲压生产线的总体布局及设计 图2 5 升降台 f i g 2 5l i rp l a t f o m 第二，是关于分张的问题，钢材当然可以用磁力分张。但越来越多的生产线 的板料是针对铝板的，那么如果要加工铝板，如何进行分张，增强生产线的柔性， 就要考虑了。这时可以进行吹气分张。通常直接与钢板的磁力分张相结合，这种设 计优点是结构简单，可以直接利用工厂气源，只需通过增设一储气罐来满足吹气 分张的瞬时耗气。同时，通过在端拾器上增加条形锯条，即使板料间存在油膜，可 以借助锯条的细齿带起最上面板料，同时进行吹气。这种工作方式的提高了板料分 张的可靠性，生产节拍能在一定程度上得到保证。不足之处是由于锯条在工作时， 容易产生微细的碎铝屑，一旦带入模具，会给零件品质和模具带来损失。所以，这 种时候，后面一定要或者一般要有清洗涂油机。 第三，怎样保证升降台的充分利用来提高效率，这就要加装光电传感器。升 降料架一般为液压铰支结构，起落由油缸推动。当上料台上的料垛输送至工作位 置时，料垛项面位置由料位光电开关控制，如初始料位不够高，操作升降料架将 料垛升起至料位光电开关处自动停止。随着不断拆料取料，料垛高度下降，升降 料架自动升起补足料位，方便上料，同时提高了效率。 第四，关于对中有非常重要的一个因素要考虑，它是关系该生产线是否具备 良好柔性的关键因素。通常上料对中( 或称定位) 方式有：重力对中，机械对中， 光学对中( 或称视觉对中) 。其中光学对中是比较先进的技术，其主要特点是上料 完全不受料片形状限制，对中效率高，可靠性高。因此可以广泛适应各种形状料 片的冲压生产。但如果考虑到成本，重力对中不失为一种经济实惠的方式，可以 根据生产线的具体情况和要求进行选择。下面图2 6 的形式为机械对中，该对中台 包括两个方向的驱动，横向由同步带驱动，纵向由步进电机带动丝杆驱动。通过 更换不同形状的止档机构，对中台可以适应各种尺寸和形状的板料，柔性好。 9 重庆大学硕士学位论文 图2 6 对中台 f i g 2 6c e n t e 血gd e 、，i c e 第五，涂油的作用主要是首先保证钢板冲压成形的润滑性要求和冲压件表面 质量，润滑状况对板料成形是有影响的。同时，涂油增强了冲压件的防锈性能。 所以，一半涂的油主要是防锈油或拉深油等。如果根据用户要求，不需要清洗涂 油或者加工有些板料时不需要，那么就用一条传送带替代这个清洗涂油机，增强 生产线的使用范围。 2 2 4 机器人单元及端拾器 在自动化冲压自动线中，作为自动化输送系统主要的部分，机器人负责完成 板料拆垛、各压机的自动上下料、板件传送翻转等工作，以取代繁重、危险的人 工操作。机器人通过控制系统保持与压机的随动和连锁，完成机器人的运动控制、 气动与真空系统监控及安全防护等。 对于板料在压机间的传递，机器人可以提供两种方式进行传递，可以根据需 要具体选择。 方式1 ：柔性c r o s s b a r 。 图2 7 柔性c r o s s b a r f i g 2 7f l e x i b l ec r o s s b a r 配有c r o s s b a r 的机器人在摆动很小角度的情况下可以实现对工件大行程的搬 1 0 2 冲压生产线的总体布局及设计 运可以节省压机之间的安装空间。并且速度快，节拍可以达到1 5s p m 。 方式2 ：旋转7 轴。 图2 8 旋转七轴 f i g 2 8s e v e n - a x i sr o t a t i o n 配有旋转七轴的机器人柔性较好，可以到达工作范围内任意位置，并且节拍 可以达到1 2 5s p m 。还有一点，如下图所示，旋转7 轴可以更方便的实现各种方 式的工件旋转。 p ”一一 羞如整： _ * 。“一v m w ；。“ “w “ 雷互叠皿壁互叠互 图2 9 灵活多变的摆放方式 f i g 2 9f 1 e x i b l ed i s p l a y 端拾器是机器人的末端执行机构，用于抓取板件。由于板件为薄壁件，适于 采用真空吸附的工作原理抓取，真空吸盘布置在用高强度合金或碳纤维材料制成 的延长臂支架上，吸盘个数及其布置方式视具体的板件而定。a b b 公司的是具有 端拾器品牌生产和设计能力的强大供应商，能提供各种专用端拾器，每种方案和 不同功能的机器人( 比如上下料机器人等) 都有专用端拾器，注意选择。 2 2 5 线尾单元设计 当板件完成所有冲压的工序之后，下料机器人取出板件并放在出料输送带上， 最后人工或自动完成堆垛。输送带的长度应根据板件的最大生产节拍以及输送带 重庆大学硕士学位论文 的运行速度进行设计，以确保有足够的缓冲区让工人进行质量确认并下料堆垛。 而传送速度则根据输送带长度及生产线工作节拍来设计。为了确保能输送大小不 同的板件，采用双列式结构，并设计成距离可调式的。 此外，在机器人的下料区安装对射式光电检测传感器，以防止机器人在输送 皮带上同一位置重复堆放，损坏板件。 图2 1 0 出料输送带 f i g 2 10o u t f - e e dc o n v e y o r 2 3 生产线的生产节拍 生产节拍是衡量冲压线生产效率的标准。可以看出，自动化冲压自动线的生 产节拍主要是涉及机器人的生产节拍和压机的生产节拍两个主要方面。 压机工作节拍 目前，大型压机的允许额定冲次已经可以达到8 2 0 次m i n ，但针对不同的工 位，不同的板件，各压机的工艺额定冲次是不同的。冲压生产率的快慢受冲次利 用率的影响比较大，除此之外冲压生产率还会受到设备开动率、模具结构、人员 配置等影响。在实际生产过程中，因为存在着各种各样的影响因素，如：每次更 换模具的时间、生产周期的长短引起的换模频率、板件的形状、板件的质量等等， 所以冲压的额定冲次不可能被完全利用在工作时间内。经大量的数据分析，自动 化冲压生产线的冲次利用率一般可以达到4 0 5 5 。根据相关公式可以得到如下 计算： h = h n 木p( 2 1 ) h e = h 木n( 2 2 ) 式中：h n 为额定冲次，单位：次m i n ； n 为设备开动率，； p 为冲次利用率，； h 为无故障利用冲次，单位：次m i n ； h e 为有效利用冲次，单位：次m i n 。 1 2 2 冲压生产线的总体布局及设计 从上面的公式中可以清楚看出，影响有效利用冲次的主要因素为设备开动率， 因此提高设备开动率，将非常有利于班产量的增加，即生产率的提高。 机器人生产节拍 具体根据选择的机器人的品牌和型号而具体分析，一般情况搬运机器人的节 拍在5 8 件m i l l 。 下面是本生产线节拍的预估统计： 表2 1 生产节拍的统计 1 a b 2 1b e a ts 切t i s t i c so fp 】o l 如c t i o n 2 4 本章小结 本章首先分析了冲压生产线的工艺流程，对生产线总体布局进行了设计，然 后，分别详细论述了各个组成单元( 线首单元、机器人单元及端拾起、线尾单元) ， 最后，对生产线的节拍进行了计算和统计。 重庆大学硕士学位论文 1 4 3冲压生产线的电控系统硬件设计 3冲压生产线的电控系统硬件设计 根据第二章生产线的总体布局和各单元的设计可以看出，冲压生产线是一个 分布广、设备多的综合性系统，为了实现其自动化的生产过程，对各设备的自动 化控制和他们间的配合协调控制就显得尤为重要，这就是本章节将涉及的主要内 容，对冲压生产线的电控系统的方案设计。 3 1 电控系统总体方案设计 控制系统是冲压自动生产线的核心之一，它控制着生产线各组成部分的协调 工作。控制系统的技术先进性、完善性和可靠性，控制方法的灵活性和有效性直 接决定了生产线的自动化程度和生产效率。 冲压自动生产线的电控系统的主要控制对象，主要由三大部分组成：压机、机 器人及辅助设备。有两点是设计时需要考虑的主要问题：首先，这三大部分各设 备动作、配合，设定工艺参数及进行调整等需要由控制系统进行协调，使整条冲 压自动生产线能保证正常的配合与生产运行。其次，由于整条生产线的占地面积 非常广，各设备之间距离大，且设备众多，控制复杂，是设计控制系统时的重点 考虑情况。 根据以上特点，本生产线的控制系统选择分布式控制系统，以现场总线作为 各部分的孤立的控制器与总控制器问的数据传输方式。这样，既满足了每个现场 设备都能实现它自身的控制要求，同时设备间分布广的问题也可以得到解决，控 制信息和数据能及时地在他们间进行传递，使得生产线间各设备能够协调工作。 而西门子p r o f i b u s d p 协议作为为分布式控制系统开发的专门协议，本生产线将 选取它作为控制系统中的现场总线协议，对生产线通信和p r o f i u b s 协议的详细 介绍将在后面的章节详细介绍，本章节重点关注的是下面的控制方案的设计。 3 1 1 分布式控制系统介绍 从产生至今，分布式控制系统已经有了长时间的发展。而现在，以现场总线 控制系统为主的新一代分布式控制系统正在成为主流。现场总线控制系统是随着 现场总线技术出现，在现代通信技术、计算机网络技术、自动化技术等的推动下 发展出的较新的应用于工厂自动化方向的网络控制系统。它可以把分散的各种测 量与被控设备转化为网络节点，以现场总线为路径，把它们连接为可以相互通信 的网络控制系统u 4 1 。 现场总线控制系统在串行的通信电缆上连接工业生产现场的设备组成数字化 通信网络，实现满足工业实时要求的、可靠的设备及车间级的数字化通信网络， 重庆大学硕士学位论文 在此基础上还可以扩展和实现对工业对象的控制与监测。 3 1 2 控制系统的方案一 该方案如图3 1 所示。它采用p r o f i b u s d p 现场总线构成两层主从式分层控 制架构。 在第一层主从结构中，以线尾机器人( 7 ) 的s o r p l c 作为主站，用于实现 整条生产线的生产流程控制，其余6 个机器人的s o r p l c 作为从站，主从站之间 通过各机器人控制器中的p r o f i b u s 通讯卡来通信。 在第二层主从结构中，以各工作单元中机器人s o 卯l c 作为主站，压机、编 码器及真空系统等设备连接至远程i o 模块上作为其从站，主站用于各从站设备的 运动控制、逻辑控制以及与其它机器人s o r p l c 之间通讯。 在各机器人控制器中，除了线尾机器人( 7 ) 中配备p r o f i b u sm a s t e r 通 讯卡，只能作为主站外，其余机器人均配备p r o f i b u sm a s t e s l a v e 通讯卡， 既能作主站，又能作从站。压机直接通过p r o f i b u s d p 总线与机器人通讯。压机 将其状态信号发送给机器人，机器人则控制压机的启动与停止。此外，压机具有 检测模具编号的功能，将以二进制编码的模具号发送给机器人，机器人将收到的 模具与从连线控制器收到的程序号比较，防止发生板件与模具不一致的错误。 淡麓：二二表示雹控每l 篓工加袈邋信卡，i j 固牵；i 弛s 臻霆女辩卡霉黔s i 臻癸a 疆遵避誊 图3 1 方案1 的示意图 f i g 3 1s c h 锄a t i cd i a g r 锄o fp r o g r 锄o n e 3 1 3 控制系统的方案二 这种控制方案是将整个现场设备层的自动化系统分为两大部分：机器人自动 1 6 3冲压生产线的电控系统硬件设计 化控制部分和压力机自动化控制部分。它的示意图如下图3 2 所示。 其中，机器人控制部分由位于线首s m e n ss 7 3 1 5 2 d pp l c 作为控制系统， 通过p r o f i b u s 总线连接管理分布在各个单元的e t 2 0 0 、变频器、a b b 机器人以 及通过d p d p 耦合器来和压机的p l c 进行数据交换。在这个控制结构里的现场设 备层，通信控制器是p r o f i b u s d p 的主站，每台现场设备构成p r o f i b u s d p 的 从站。 与机器人部分类似的，压机自动化部分采用s i e m e n s 公司的s 7 3 1 5 2 d pp l c 作为控制系统，通过p r o f i b u s 总线与现场的各个压机s 7 3 0 0p l c 进行数据交换， 从而等于将分布在各个组成单元的分布式i o ，编码器，变频器，直流调速器等连接 了起来。 图3 2 方案2 的示意图 f i g 3 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o g r 吼t w o 对此方案的示意图补充说明如下： 线首装置如果已有自己的控制系统，则直接把它的控制器连进d p 网络作 为通信从站，如果控制器无d p 接口，则通过加p r o f i b u s 网卡或相应的单元块 使之可以接进d p 网络，并可以组态、编程以实现通信。即图上虚线所代表意思。 如果线首装置无自己的控制系统，则有两种办法，一种是如图上实线表示， 加e t 2 0 0 模块作为一个从站，把线首部分现场要控制的输入输出点通过e t 2 0 0 传 给主站的p l c ，用主站p l c 来控制它；另一种是在现场加一个控制柜，用s 7 3 0 0 的p l c 直接控制线首装置，再把这个p l c 作为通信从站通过光纤接入机器人网络， 即为图上虚线的另一个表达的意思。 重庆大学硕士学位论文 3 1 4 控制方案的确定 方案二与方案一比之，方案二有以下优势： 方案二易于扩充，可以增加、减少冲压工序： 方案二的连线结构简单，设备安装和修改费用低，可靠性高，灵活性好。 基于以上两点，本生产线的电控系统将选择方案二。 由上面的设计可以看出，方案二是有机器人网络和压机网络两个部分组成而 成，下面的图3 3 和图3 4 分别展示了机器人网络系统和压机网络系统的系统组成 图。 1 ) 机器人网络系统的组成 如图3 3 所示，机器人网络的控制结构里的现场设备层，主控制器s 73 1 3 2 d p 为通信控制器，它是p r o f i b u s d p 的主站。每台现场设备构成p r o f i b u s d p 的 从站，通过各自的通信模块或接口挂到p r o f i b u s 上。这样，d p 主站的通信控制 器与多台现场设备的i o 从站之间便构成纯主从式交换数据的形式，实现对从站 进行控制与监控等。整个系统结构清晰，采用p r o f i b u s 总线并结合s t e p7 软件 的强大功能，轻松实现自动控制系统的高性能、高可靠性。同时，模块化的结构 设计具有很强的扩展性，可以适用不同零件的使用，易于维护。 2 ) 压机网络系统的组成 一 如图3 4 所示，压机网络的控制结构里的现场设备层，采用s 73 1 5 2 d p 作为 主控制器，通过p r o f i b u s 将分布在各个组成单元的智能型i o 从站 ( s 7 3 1 5 2 d p ) 、安全光幕等连接起来。每个压机从站又通过安装通信模块c p 3 4 2 5 又可以在各自压机内控制系统中作为主站，将分布在压机上液压站、编码器、调 速器以及3 7 7 人机界面等设备连接起来。这个系统同样结构清晰，增加的 c p 3 4 5 2 通信模块分担了c p u 的通信任务和压力。同时，采用模块化结构具有很 强的扩展性，可以适用不同冲压件的使用，可靠性高、便于维护。 囵 u 彗 招 盈 豁 器 渊 龄 j l ， 皿 潞 圃 主机架( c r ) s 7 3 1 5 2 d p c p u 3 1 5 一己d p p s 3 0 7 s h 3 己1s h 3 2 己 h p l ld p i v i 卜，l h p 3 7 7 ) 0 i r c 5 i r c 5 i r c 5 i r c 5 i r c 5 + 靠l | g p l 窜剿哭 撺制三e 巾l 旨 p 肛嘶咖n p 师i i n i 巾1 6 旨 ”o p r o 嘶i 入”。切薪i b 谂 义网别 k 贰杀p 黑鼢 ￥嚼专爻 阁网 罗5 。 f 醑 1 i 1 i1 l 蚓 彳 彳 彳 彳 a b bi 型高 r 口f _ i b u s d p 上料机器人 搬运机器人1 # 搬运机器人2 # 搬运机器人3 # 搬运机器人4 #下料机器人 u 荨离旰烯器母j空泓滚商齐萍卑 fi尊u3ch91_atio di冀吾。一rooilo茸ork 1 号压机2 号压机 主机架( c r ) s 7 3 1 5 2 d p 3 号压机4 号压机 b u s d p 5 号压机 嘞汛汁慊商睁螺高醇h s 7 3 1 5 2 d p p s 3 0 7 i c p u 3 1 5i h 3 2 ii h 3 茌s h 3 3 1洲3 3 2c p i 一2 d p 3 4 己 一5 t 一2 0 0 s 陬p 1 智能 传惑器 是 图 虱 圃u4离彗函龄墨泓龄监爵圃 哪gu4olleiil譬。厶礁ahil o叶口reiln4i，ohk 心o 3冲压生产线的电控系统硬件设计 3 2 主控制器的选型 3 2 1s 7 3 0 0p l c 介绍 s 7 3 0 0 是模块化的p l c ，能满足中等性能要求的应用。s d 讧a t i cs 7 3 0 0 可 编程序控制器是模块化设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合。一般的系统 组成： 中央处理单元( c p u ) 信号模块( s m ) 通讯处理器( c p ) 功能模块( f m ) 负载电源模块( p s ) 接口模块( m ) s m i cs 7 3 0 0 适用于许多领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其 有很高的工业环境适应能力1 5 】。使用s 7 3 0 0 的一个很大的优点在于方便的人机界 面服务已经集成在s 7 3 0 0 操作系统内，即触摸屏的编程也在本操作系统内，因此 方便很多。 s 7 3 0 0 与其他设备通信可以通过m p i ( 多点通讯接口) 、现场总线( 如： p r o f i b u s d p ) 或者工业以太网( 如：一p r o f i n e t ) 等方式，根据需要，它既可 以作为主站，也可以作为智能从站。通讯时，需要通过组态来搭建p r o f i b u s 网 络。这是一种有效地方案：方便用户的s t e p 7 的用户界面提供了通讯组态功能， 这使得组态非常容易、简单。 c p u 支