托輥目前廣泛應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)、碼頭等大量使用帶式輸送設(shè)備的行業(yè)，消耗和需求量都比較大。托輥的加工主要包括托輥管加工、軸加工、軸承卡圈以及密封件的裝配，而托輥管的生產(chǎn)速度和質(zhì)量，不僅影響了后序加工的生產(chǎn)進(jìn)程，也關(guān)系著整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，因此為滿足這一工業(yè)需求，結(jié)合西門子公司的Simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出托輥管自動(dòng)化生產(chǎn)線。此生產(chǎn)線采用先進(jìn)的SIEMENS控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)作為主要的控制單元，以確保托輥管的快速高質(zhì)量生產(chǎn)。

1 托輥管生產(chǎn)線的工藝流程

　　該設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線主要包括3個(gè)單元：送料單元、切割單元和自動(dòng)下料單元。其中的送料單元包含大量的光電開關(guān)和限位開關(guān)以保證物料的準(zhǔn)確到達(dá)，并采用氣壓和液壓驅(qū)動(dòng)裝置依據(jù)指令完成料場上料、分料擋料、平移、送管動(dòng)作。其中托輥管在導(dǎo)軌上的移動(dòng)采用伺服軸驅(qū)動(dòng)，以保證管料中心在同一水平位置完成定長送料，且在管料尾部有一氣壓驅(qū)動(dòng)卡盤，按照指令完成對管料的夾緊和松開動(dòng)作，在管料前端裝光電檢測開關(guān)用于檢測定位，此信號作為切管的起始位置。

　　切割單元中管料的切割采用三鋸片環(huán)切，通過變頻器控制旋轉(zhuǎn)和伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在切割時(shí)切割卡盤先卡緊物料，然后鋸片開始旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給、切割，最后松開物料，回到初始位置等待下一切割指令。

　　自動(dòng)下料單元主要由氣壓驅(qū)動(dòng)的接料盤、送料軌道、定位裝置及料倉組成。實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作過程是依據(jù)指令指定位置進(jìn)行接料，然后回到翻料位置進(jìn)行選擇翻轉(zhuǎn)方向，廢品直接翻轉(zhuǎn)到廢品料倉，而合格產(chǎn)品沿著軌道進(jìn)入定位裝置進(jìn)行定位，最后通過機(jī)械手送到料倉，而料倉共分4層會依據(jù)指令編碼進(jìn)行選擇放置位置，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1工藝漉程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　為解決生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)上料、切割、分料等一系列動(dòng)作的準(zhǔn)確順利完成，必須有一套完整的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)一般分為硬件和軟件兩部分，其中硬件部分采用先進(jìn)的SIEMENS控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)，且整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為主回路和控制回路，主回路主要完成對整個(gè)控制系統(tǒng)的配電部分，如完成對伺服功率單元、液壓氣壓系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、切割電動(dòng)機(jī)以及相關(guān)輔助部件的供配電；控制回路主要由sIEMENS公司的simotion D435運(yùn)動(dòng)控制器、伺服功率單元、TPl77B觸摸屏、E他00M遠(yuǎn)程輸入輸出模塊、MM440變頻器等組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。Simotion控制系統(tǒng)是世界上第一款針對生產(chǎn)機(jī)械而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制集成于一身，為生產(chǎn)機(jī)械提供完整的解決方案。simotion D的功能集成在新的SI—NAMICS S120多軸驅(qū)動(dòng)控制模板上，使之成為一個(gè)極其緊湊的擁有控制器及驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。Simotion D具有兩個(gè)時(shí)鐘同步的PROFIBUS接口和工業(yè)以太網(wǎng)接口，PROFIBuS接口主要用于E曉00M遠(yuǎn)程輸人輸出模塊、TPl77B觸摸屏、變頻器與Simotion D運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信，以太網(wǎng)主要用于控制器與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的通信，而伺服功率單元機(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與simotion D435運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信依靠DRIVER—cuQ來完成。其中觸摸屏用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)的輸入輸出控制功能；遠(yuǎn)程輸入輸出模塊用于采集光電開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器的信號，并輸出液壓、氣壓裝置及其他相關(guān)附件的執(zhí)行動(dòng)作信號。

圖2控鍘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)、液氣壓系統(tǒng)的工藝與邏輯控制，以及機(jī)床的相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和運(yùn)行狀態(tài)的指示功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 程序設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)中存在著大量的輸人輸出、檢測反饋元件和執(zhí)行元件，因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)首先要解決的是系統(tǒng)的通訊和L／O分配問題，把系統(tǒng)中各工藝的輸人輸出量分別分配給PLC中的I／O口，并確定各I／O口的作用和功能，填寫變量表確定主站與子站之間的通信，并將以上配置組態(tài)下載到PLC中。在程序設(shè)計(jì)時(shí)主要分為主站程序和子站程序，并將其劃分為各個(gè)模塊，分別定義各模塊的作用和功能，根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求確定各輸入、輸出量與操作之間的邏輯關(guān)系，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的操作內(nèi)容和操作順序；在程序編寫時(shí)根據(jù)細(xì)化設(shè)計(jì)原則，選擇合適的編程語言進(jìn)行編程，確定語法和文檔的正確；在調(diào)試時(shí)重點(diǎn)是看程序是否按設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行且是否具備各種必要的功能，在發(fā)生故障時(shí)能否進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)。

　　控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要分為上料、切割和下料3個(gè)部分，且根據(jù)機(jī)床的控制任務(wù)和機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立的特點(diǎn)，分別對它們編寫了子程序，這些子程序可以獨(dú)立起動(dòng)執(zhí)行，并且可以通過內(nèi)部的標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)子程序間的聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)動(dòng)作的循環(huán)執(zhí)行。

　　每個(gè)子程序還分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩部分，手動(dòng)運(yùn)行可以通過對上位機(jī)的簡單設(shè)置實(shí)現(xiàn)，自助運(yùn)行在上電開始程序啟動(dòng)后，會按照一定的邏輯關(guān)系和順序使各工序間有條不紊地進(jìn)行動(dòng)作。且為了保證動(dòng)作的順序性，系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用了前后動(dòng)作互鎖功能，即當(dāng)前一個(gè)動(dòng)作未完成時(shí)，后一個(gè)動(dòng)作不能起動(dòng)執(zhí)行，從而保證了前后動(dòng)作不會發(fā)生錯(cuò)位。當(dāng)不滿足安全執(zhí)行條件時(shí)，即使發(fā)生動(dòng)作指令，動(dòng)作也不會執(zhí)行，并且會通過人機(jī)界面向操作人員發(fā)出故障警告信息，從而保證了工作人員和機(jī)身的安全，程序流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展以及機(jī)器復(fù)雜程度不斷提高，在生產(chǎn)過程中人機(jī)界面的重要性越來越受到設(shè)計(jì)人員的關(guān)注，人機(jī)界面的好與壞也體現(xiàn)著設(shè)備的先進(jìn)性與智能化水平。該系統(tǒng)采用SIEMENS公司的TPl77B彩色觸摸屏，其與主運(yùn)動(dòng)控制器為同一公司產(chǎn)品，因此有良好的通訊接口，使運(yùn)動(dòng)控制器的信息更加直觀地反應(yīng)在觸摸屏上，同時(shí)使機(jī)床的調(diào)試和加工參數(shù)的調(diào)整更加方便。由于觸摸屏使用強(qiáng)大的圖文編輯功能軟件wincc Flexible編寫程序，大大簡化了故障和報(bào)警程序的編寫難度。

　　人機(jī)界面主要有開機(jī)畫面、主畫面、自動(dòng)循環(huán)畫面、手動(dòng)操作畫面、報(bào)警信息畫面等。開機(jī)畫面顯示機(jī)床的初始化信息；主畫面顯示機(jī)床的名稱、操作狀態(tài)、主控制器的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、切換畫面按鈕及用于啟動(dòng)、復(fù)位、置位的按鈕等；手動(dòng)操作畫面顯示伺服軸回零、伺服軸正反向點(diǎn)動(dòng)等；自動(dòng)循環(huán)畫面用于顯示程序在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)所正在進(jìn)行的工序以及各軸的實(shí)際速度位置參數(shù)等；報(bào)警信息畫面用于顯示機(jī)床的故障信息，當(dāng)操作不當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)會自動(dòng)彈出警告信息，使機(jī)床操作人員知道故障之所在。觸摸屏的畫面關(guān)系圖如圖4所示。

圖4主要的人機(jī)界面

　　3.3 生產(chǎn)線的監(jiān)控與報(bào)警

　　為保證生產(chǎn)線的順利與安全生產(chǎn)，該系統(tǒng)通過觸摸屏TPl77B和操作站三色燈塔實(shí)時(shí)顯示各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀況，并通過工業(yè)以太網(wǎng)在上位機(jī)上顯示。一旦生產(chǎn)出現(xiàn)故障，觸摸屏和上位機(jī)上都會出現(xiàn)故障信息，同時(shí)操作站三色燈塔紅色亮起，工作人員會根據(jù)故障信息進(jìn)行緊急處理，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

　　該系統(tǒng)采用SIEMENs公司的Simotion D435控制器和伺服功率單元作為生產(chǎn)線的主要控制單元，因其自身強(qiáng)大的工程開發(fā)系統(tǒng)和多功能結(jié)構(gòu)化軟件模塊，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在投人生產(chǎn)后提高了切管的效率和切管的質(zhì)量，大大降低了生產(chǎn)成本，為托輥的后序生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此外結(jié)合Simotion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的托輥管自動(dòng)化生產(chǎn)線在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，不但改善了操作工人的勞動(dòng)條件，降低了勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還能確保生產(chǎn)的安全性，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)線如圖5所示。
 

圖5托輥管生產(chǎn)線