基于西门子PLC控制系统的冲压机器人自动化生产线设计.pdf

技术应用Technique and application 32机器人技术与应用 2023 40 引言制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，是实现工业化和国家现代化的根本推进力量。其中冲压生产是制造业发展中重要的组成部分，据统计，在汽车零部件中，就有 40%的金属板件是通过冲压的形式完成的。冲压生产线作为冲压装备的一种重要应用形式，实现冲压生产线自动化运作是中国制造 2025 的重要体现，并且在实际的工业自动化领域有着极为广泛的应用前景，同时冲压生产线的制造工艺及自动化水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。近年，科技进步不断推动机器人技术的快速发展1-2，如今工业机器人已经广泛用于制造业、机械加工行业3，而机器人集成自动化更是智能制造发展大趋势。本文主要介绍的是冲压机器人，冲压机器人一般采用微型计算机控制，少数也可以用可编程逻辑控制器（PLC）控制，这样的控制方式可以大大提高冲压机机器人生产产品的精度，降低出错率，保证产品质量的稳定性。伴随着国家智能制造目标的应召，自动化设备与技术的不断进步和发展，机器人在工业领域内的应用将会不断扩大。机器人技术、自动化设备、控制系统三大核心部分的融合，为柔性自动化生产技术提供了有力的保障。1 冲压机器人生产线主要硬件构成冲压机器人生产线一般由工业机器人、人机界面、PLC 控制系统、冲床、上料机、下料机、夹具等硬件构成，如表 1 所示。表 1 冲压机器人生产线硬件构成序号产品名称型号1工业机器人钱江 QJRB15-12可编程控制器西门子 S7-1214C/DC/DC/DC3人机界面西门子 KTP700 6AV2123-2G03-0AX04冲床无5上料机无6下料机无7夹具无1.1 工业机器人选型实际生产线工业机器人应用的是钱江自主研发的QJRB15-1 的机器人（如图 1 所示）。示教器分全中文版和全英文版，适合国内外不同客户选用。示教器的设计符合人体工程学需求，全触屏设计，包含中英文界面、下拉式菜单、灵活快捷键，编程过程简易，简单易学，易于上手。机器人是 4 轴机器人，适用于冲压、上下料、搬运等工艺，具有速度快，重复定位精度高，价格便宜等特点。图 1 钱江 QJRB15-1 型号机器人基于西门子 PLC 控制系统的冲压机器人自动化生产线设计 王永贵 王洋 王强 陈少波 李敏 谢义佳（浙江钱江机器人有限公司，浙江温岭，317500）摘 要本文综述了结合工业机器人的冲压生产线的实际应用，该生产线以西门子 PLC 系统作为自动化控制系统与钱江冲压机器人、冲床等设备通讯，简化了设备的编程和调试过程，提高了自动化生产线设备的整体性能，满足了冲压自动化线生产要求。关键词：机器人，冲压生产线，PLC，人机界面技术应用Technique and application 33Robot Technique and Application2023 41.2 人机界面选型人机界面采用西门子KTP700进行设计，具有开放性、标准化的软硬件接口，可随时集成到生产层、自动化层和管理层，人机界面主要与 PLC 通信，把 PLC 的编辑程序语言转换为操作人员能够浅显易懂的图形界面形式，显示到人机界面上面，能够使操作人员更简单、更正确、更迅速地操作和使用。1.3 PLC 选型由于此控制系统需要控制的设备较少,所以选择了西门子 S7-1214 DC/DC/DC 可编程控制器作为上位机4，该控制器结构设计紧凑、体型较小、组态灵活且具有功能强大的指令集。1.4 冲压生产线加工流程冲压生产线如图 2 所示，整条生产线的加工过程可以分成取料、冲压成型和放料三个环节。取料区内放置有第一个待冲压物料，工业机器人首先将待冲压的物料经取料区域搬运到传递带区域，再将物料从传送带头部搬运到传送带尾端，接着机器人将材料搬运到冲压区域，然后离开冲压区域，再去取料区域取料，与此同时自动化机器人将传递冲压指令至冲床，由冲床启动了对材料的冲压工艺，在材料加工完毕后，由工业机器人将材料搬运至放料区域，以此来回重复动作直到工件冲压完成。图 2 冲压生产线2 冲压机器人生产线控制系统软件设计2.1 人机界面软件设计如图 3 所示，触摸屏主要设计了一键机器人伺服上电、一键启动机器人运行、一键复位报警，可实时监控冲床状态、机器人运行状态、机器人运行节拍，并可根据监控情况修改机器人运行节拍；具有完善的报警系统，可以监控冲床实时报警信息、机器人实时报警信息，保证了生产线的安全运行，图 3 触摸屏界面2.2 PLC 软件设计在整个全自动冲压生产线系统中，PLC 起的核心作用像人的大脑一样，主要接收和采集外部传感器的信号，完成对外部环境的检测作用，控制冲床的启动和停止，实现和机器人控制器的信息交换，以及对机器人末端执技术应用Technique and application 34机器人技术与应用 2023 4行器夹具和各电气元件的控制。根据该全自动化冲压生产线系统的设计要求，整个系统有 12 点数字输入和 9 点数字输出共有 21 点数字 I/O 量。PLC 程序主要包括启动停止模块,手动模块，自动模块,输入输出模块，报警模块等 5 个模块，PLC 软件程序图如图 4 所示。技术应用Technique and application 35Robot Technique and Application2023 43 冲压生产线设计流程整个工作站基于钱江总线系统，通过 MODBUS_TCP 通讯方式链接，用于钱江总线系统机器人，但不限于钱江总线系统机器人应用。整条生产线由西门子 PLC做总控。基于西门子 PLC 强大的数据处理能力、通讯速率快、抗干扰能力强、系统运行稳定以及维修方便等优点，该冲压生产线可有效解决以往冲压工艺中存在的表面划伤、尺寸不符、冲头易断等问题。人机界面通过 SCL 语言来进行编程，操作人员可根据实际冲压工艺需求进行参数修改。冲压工艺逻辑程序都写在 PLC 内，客户可通过操作显示界面快速进行相关逻辑修改，可扩展性高。人机界面操作简单，通俗易懂，大幅缩短客户换模之后的调试时间，以及对操作人员的培训时间。在整个项目调试测试完成之后，控制器软件程序可直接应用到新冲压生产线的控制器中，节省新生产线的设计规划时间，大幅度提高生产线调试效率；与此同时，示教器内程序可以模块化，便于使用者快速掌握机器人程序逻辑，最大程度提高操作人员对机器人的熟悉程度。此外，示教器内软件包具有实时更新、优化程序的功能，当生产线测试运行稳定一段时间之后，机器人操作员就可以通过优化程序来提升整条生产线的生产节拍5。优化程序具体指的是机器人可以通过运行程序的调试，在机器人运动到实际位置前发送信号给相邻设备，使相邻设备提前接收到信号进而早一步开始动作，以此来带动生产效率的进一步提高。冲压生产线流程如图 5 所示，操作人员开启设备，设备自动初始化工作；操作人员根据生产需求更改人机界面参数，示教模式调用机器人程序，自动模式冲压生产线开始自动运行，1 号机器人检测有料信号后在上料机上抓取物料放到 1 号冲床内，1 号机器人放料后返回上料机处取下一个物料，1 号冲床检测有料和可以冲压信号后进行冲压操作，完成后给 2 号机器人发出取料信号，2 号机器人检测取料信号后到 1 号冲床内取料，放到 2 号冲床内，2号机器人放料后返回1号冲床外等待取下一物料，2 号冲床检测有料和可以冲压信号后进行冲压操作，完成后给 3 号机器人发出取料信号，3 号机器人检测取料信号后到 2 号冲床内取料放到下料机上，然后回到 2 号冲床外等待取料。至此单次生产流程完成。图 4 PLC 软件程序图技术应用Technique and application 36机器人技术与应用 2023 4图 5 冲压生产线流程图4 结论本文冲压生产线是根据客户需求而做的真实案例，客户原有是人工上下料冲压，现使用冲压生产线与原有人工生产对比，如表 2 所示。表 2 冲压生产线与人工生产对比对比因素冲压生产线人工生产时间24h8h生产产量240 件/h150 件/h人员数量1 人3 人质量稳定性高低投入成本前期高，后期基本没有持续投入，越来越高从对比中可以看出，冲压生产线能有效保证生产的稳定、高效、安全，以此达到机器人替代人工的目的，提升了生产线的稳定性，保证了产品的质量，降低了投入的成本。本文所介绍的机器人冲压生产线项目可运用于大规模成套化的自动化冲压生产中，以公司现有机器人做载体，助力国内机器人系统智能制造装备实现突破与完善。体现了技术人员的创新意识与创新思维，有效增强了企业内部的创新活力。总而言之，随着现代科学技术的不断进步，技术方面和设备方面也越来越科学新颖，使得冲压技术也得到优化，工业机器人的出现和应用，有效地代替了人工劳动，促进了工业生产效率的不断提升，为工业产品质量控制打下良好的基础。尤其是在冲压自动化生产线中，工业机器人的应用促进了自动化生产水平的提升，并且将工业生产成本控制在合理范围内，在工业生产领域受到广泛关注。参考文献1 任斌.人工智能背景下工业机器人发展动态 J.电子世界，2019(9):8-9.2 朱志民,方孝忠,周勇,等.工业机器人在轨道交通制造中的应用现状及发展趋势 J.金属加工(热加工)，2021(1):7-12.3 陈文华,陈炜镔,梁志聪.一款并联工业机器人的设计 J 黑龙江科技信息，2020(16):167-173.4 胡士靖,吴超群,陈翱,等.基于西门子 PLC 的自动打磨控制系统设计 J.组合机床与自动化加工技术，2019(12):72-75.5 肖英,周海星.轻型载货汽车车身焊装生产线产能提升研究 J.汽车工艺与材料，2015(5):38-42,46.