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铸造机机械手自动浇注控制系统


信息技术与信息化

自动控制

铸造机机械手自动浇注控制系统
田 奎 孙 涛 孙风玲 张 岳 TIAN Kui SUN Tao SUN Feng - ling ZHANG Yue
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本文介绍了一种以西门子 SIMOTION C240 运动控制系统

为核心的活塞铸造机自动化控制。 铸造机械手 活塞铸造生产线 伺服控制 运动控制系统 多轴同步

关键词

doi: 10. 3969 / j. issn. 1672 - 9528. 2012. 05. 27 全保护功能完善,故障诊断报警详细,并能适应高温 及粉尘大的环境。 基于对铸造机现场环境和使用的特点我们认为 其控制系统需要满足以下要求: 轴定位及倾转浇铸跟随运动又要求随时检测铸造机 的状态和控制铸造机执行元件; 人身安全; ( 3) 市场接受程度高,零备件供应及时;

1 引



随着汽车、船舶、农机市场的发展,对发动机活 塞的需求越来越旺盛。许多活塞生产企业在扩大产 能的时候,更重视对生产线进行自动化升级改造,以 改变恶劣的作业环境和高强度的体力劳动同时增加 产品的稳定性。 活塞铸造属于批量大、节拍快、比较精密的铸造 加工,对控制设备的要求很高,既要实现铸造机机械 手的准确路径设定,又要完成整机的开关量复杂的 逻辑控制和模拟信号检测,同时,还要根据产品型号

( 1)系统功能完 善.既 要 有 满 足 浇 注 机 械 手 六

( 2) 软硬件满足 一 定 的 安 全 要 求, 保 证 设 备 和

( 4)用户的技术 人 员 对 相 应 产 品 有 一 定 了 解,

和工艺要求 通 过 操 作 面 板 快 速 切 换 到 新 的 铸 造 厂内同类设备较多; ( 5) 对将来厂级通讯联网和制造信息化管理有 程 序,并应具备高温、粉尘、电磁干扰等现场恶劣环境 下的高可靠性能。 根据市场需要,我公司定制开发了一套满足自 动化浇注需要的铸造机及其配套浇注机械手一体化 一定的扩展能力。 通过分 析 比 较 我 们 采 用 了 西 门 子 SIMOTION C240 运动控制器为控制单元加 S7 - 300 系列输入 输出模块,传动部分使用了六套西门子 S120 伺服控

控制 系 统。 系 统 选 用 了 西 门 子 公 司 的 SIMOTION 制器和六台西门子 1FK7063 伺服电机,显示和人机 对话采用西门子 MP377 键控屏,通过 PROFIBUS 形 C240 运动控制系统,一套装置既实现了机械手动作 控制又完成了铸造机逻辑控制,实现了活塞浇注,凝 固,出模,淬火,卸料等主要工序自动化。 2 控制要求和系统组成 铝合金轻金属精密铸造生产过程中,要获得优 质的铸件,一方面要优化材质设计和合理的熔炼及 铸造工艺,另一方面要靠稳定可靠的铸造设备来保 证工艺的实现。本铸造设备采用倾转重力铸造、自 然凝固加自动淬火工艺。伺服驱动控制的机械手浇 勺自动对两个铸造机( A 和 B) 的铸模进行浇注,要 求定位准确,并按照最优的浇勺倾转,抬高,进退运 行轨迹,按浇注工艺要求的速度稳定地将铝液注入 模具; 相应要求铸造机各部分机构协调动作,人机安
* 淄博智丰机电有限公司 山东淄博 255000

成现场总线通讯。系统构 成 框 图 如 图 1。其 中,逻 辑控制部分共含有 246 点数字输入,均为 NPN 低电 平输入; 158 点数字输 出,经 继 电 器 扩 展,最 终 以 高 电平输出到电磁阀; 4 路热电偶检测凝固温度,2 路 编码器信号接受倾转位置检测。六台伺服电机,有 台伺服电机用于上下料机械手的动作。 3 机械手伺服控制的实现 Simotion C240 是 一 个 分 时 多 任 务 多 通 道 软 件 处理系统。其支持模块化程序设计,于是我们把机 械手铸造机的控制程序分为以下几个模块。 ( 1) 铸造机机械手控制程序; ( 2) 机械手回零程序块; 2012 年第 5 期 103

4 台是用于 控 制 机 械 手 浇 勺 的 倾 转 跟 随 运 动, 另 2

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信息技术与信息化 浇注铝液,在浇注过程中铸造机完成倾转复位到垂 直状态。在倾 转 复 位 的 过 程 中 铸 模 的 浇 注 口 在 上 下,前后,及角度都发生了变化。这个状态的变化可 以通过铸造机旋转的角度编码器检测来获得。为了 保证浇勺也在最佳的姿态,以便按最优化的浇注工 艺完成浇注,由铸造机械手驱动控制的浇勺也需要 在上下,前后,旋转运动来完成对铸造机铸模浇注口 的姿态跟踪。 为了实现这个功能我们运用了 SIMOTION 系统 里的多轴软件包里的如下功能( 见图 3) :

( 3) 机械手手动控制程序块; ( 4) 铸造机 A 机手动控制程序; ( 5) 铸造机 A 机回零程序; ( 6) 铸造机 B 机手动控制程序; ( 7) 铸造机 B 机回零程序; ( 8) 机械手与 A,B 铸造机自动运行程序块; ( 9) 机械手与 A,B 铸造机异常停止程序块; ( 10) 机械手与 A,B 铸造机急停程序块; ( 12) 机械手与 A,B 铸造机报警检测和报警显 示程序块。

图 3 机械手耦合关系示意图 ( 1) 通过铸造机倾转运动检测编码器建立编码 图 1 机械手自动铸造机控制系统图 将以上 程 序 块 编 译 完 成 后 分 配 到 SIMOTION C240 的任务执行系统中,主要有启动运行任务,运 动任务,背景任务,还有中断信号响应任务就实现了 整个控制系统的协调控制。 本文重点介绍自动运行程序中倾转浇注时对机 械手的控制。该机械手设置了四台伺服电机,分别 控制两个直线轴: X 轴和 Z 轴和两个旋转轴: A 轴,C 轴实现汤勺跟随铸造机倾转的过程( 见图 2) 。 3 控制系统的其他软件功能 本系统已顺利运行投入生产,完全符合生产要 求。除自动浇注和手控制自动回零功能外,该系统 还具备以下功能: ( 1) 完善的报警检测和响应程序。不但响应所 有报警检测传感器的信号,整机连锁与互锁设置完 善可靠,还根据机械手的位置信息和后续动作,对可 能发生的干涉碰撞和机械手进入异常状态进行预判 断,在故障点之前将设备停止。系统人机界面将报 警信息完整、准确的显示出来,并进行存档( 现场操 作人员无法删除) 以备后续分析和排除; ( 2) 润滑系统各润滑点均采用集中定量自动润 图 2 两直线轴两旋转轴机械手示意图 铸造机是预先倾转到 15 度左右等待机械手来 滑方式。每次注油量可调,由控制系统根据实际工 况需油量设 定 加 油 时 间 与 间 歇 时 间,( 润 滑 泵 系 统 上电后运行一段时间后再转为间歇工作) ; 器测量轴; ( 2) 建立测量轴与机械手浇勺旋转 ( A 轴) ,手 臂摆动 ( C 轴) 和机械手前后移动 ( X 轴) 的主从轴 跟随; ( 3) 确定跟随关系中的位置对应坐标值列表凸 轮并进行优化( Cam1,Cam2,Cam3) 。

104 2012 年第 5 期

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( 3) 系统安装了 5 位累时器和 7 位机械式计数 作复杂,安全性要求高,市场急需的的产品应用提供 器,用于计量浇铸时间和浇铸工件数量; 了完整的解决方案。本系统整体解决方案在活塞铸 ( 4) 控制系统带的以太网口可以用于工厂级生 产信息管理系统联网,对铸造工艺参数进行集中设 定和监控。 4 结语 将西门子 SIMOTION 运动控制器用于铸造机械 手控制,融合我们在运动控制系统应用方面的丰富 经验,实现了带机械手铸造机控制系统集 PLC 与运 造行业有很广的应用前景的,也对于其它相关领域 提供了借鉴。 参考文献: [1] 基于 PLC 和触摸屏技术的压铸机控制系统研 究. 特种铸造及有色合金,2006 年 06、03 期。 [2] Motion Control TO Path Interpolation. Simotion Function manual. 2010 年 11 月

( 收稿日期: 2012 - 07 - 10) 动控制以及工艺控制于一体,为铸造机械手这样动 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上接第 99 页) 一个常见问题,但是许多传统数据挖 [3] 邵峰晶,于忠清. 数据挖掘原理与算法[M]. 北 掘算法往往 只 能 适 用 小 规 模 数 据 集, 当 数 据 集 达 京: 中国水利水电出版社,2003. 123. 田甜,倪林. 基于 PageRank 算法的权威值不均 到 衡分配问题[J]. 2007,33( 18) : 53 - 55. TB 乃至 PB 级 时,传 统 挖 掘 算 法 根 本 无 法 适 用。云 [4] 黄德才,戚华春. PageRank 算法研究[J]. 计算 计算则恰好擅长处理大规模数据和大规模计算,现将 机工程,2006,32( 4) : 145 - 146. 传统 数 据 挖 掘 算 法———PageRank 进 行 改 进,并 将 之 [5] 部署到云计算平台上运行,就可以使用户能够快速有 2007. 息。因此云计算环境下的 Web 数据挖掘的研究具有 [7] 重要的理论意义和应用价值。 参考文献: [1] 王 鹏. 走 进 云 计 算[M]. 北 京: 人 民 邮 电 出 版 社,2009. 6. 182. [2 ] [8] 2010. 3,149 - 150. Jeffrey Dean,Sanjay Ghemawat. MapReduce: Simplified data processing on large clusters,Com113.

效地从 TB 乃 至 PB 级 的 海 量 数 据 中 获 取 有 效 的 信 [6] Hadoop. http: / / hadoop. apache. org / ,

刘 鹏. 云 计 算 「M } . 北 京: 电 子 工 业 出 版 社

munications of the ACM 51 ( 1 ) ( 2008 ) 107 -

J Han,M Kamber. Data mining concepts and [作者简介] 全 巧 梅 ( 1975 ~ ) ,女,江 苏 扬 州 techniques[M]. Morgan Kaufmann Publishers, 人,实验师,研究方向: 信息管理,计算机应用。 2001,63. ( 收稿时间: 2012 - 08 - 10) 鉴于多边形的定义、多边形剪切与多边形分割的关 系,此算法还可用于多边形剪切功能的扩充,特别适 用于 CAD 平台,经试验验证其原理简单实现方便, 可供相关开发人员参阅。 参考文献:

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上接第 102 页) 注: 此处弧段含义为相邻两点之间的线段 以下是分割后结果示意图:

[1] 郭 功 举. 面 向 对 象 的 复 杂 多 边 形 裁 剪 实 现 [J]. 现代测绘. 2003,(8) [作者简介] 肖飞,桂林理工大学南宁分校土 木与测绘工程系讲师,桂林理工大学大地测量学与 图 9 普通多边形分割 4 结论 基于点序的多边形分割算法原理简单,不仅能 实现简单多 边 形 分 割,也 能 完 成 复 杂 图 形 的 分 割。 2012 年第 5 期 105 测量工程专业工学硕士,主要研究方向: 地理信息系 统的应用、空间数据库。 ( 收稿日期: 2012 - 07 - 26)


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