托輥目前廣泛應用于礦業生產、碼頭等大量使用帶式輸送設備的行業，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，而托輥管的生產速度和質量，不僅影響了后序加工的生產進程，也關系著整個產品的質量好壞，因此為滿足這一工業需求，結合西門子公司的Simotion運動控制系統，設計出托輥管自動化生產線。此生產線采用先進的SIEMENS控制系統和伺服系統作為主要的控制單元，以確保托輥管的快速高質量生產。

1 托輥管生產線的工藝流程

　　該設計的生產線主要包括3個單元：送料單元、切割單元和自動下料單元。其中的送料單元包含大量的光電開關和限位開關以保證物料的準確到達，并采用氣壓和液壓驅動裝置依據指令完成料場上料、分料擋料、平移、送管動作。其中托輥管在導軌上的移動采用伺服軸驅動，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動卡盤，按照指令完成對管料的夾緊和松開動作，在管料前端裝光電檢測開關用于檢測定位，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切，通過變頻器控制旋轉和伺服電動機實現進給運動，在切割時切割卡盤先卡緊物料，然后鋸片開始旋轉、進給、切割，最后松開物料，回到初始位置等待下一切割指令。

　　自動下料單元主要由氣壓驅動的接料盤、送料軌道、定位裝置及料倉組成。實現的動作過程是依據指令指定位置進行接料，然后回到翻料位置進行選擇翻轉方向，廢品直接翻轉到廢品料倉，而合格產品沿著軌道進入定位裝置進行定位，最后通過機械手送到料倉，而料倉共分4層會依據指令編碼進行選擇放置位置，其工藝流程圖如圖1所示。

圖1工藝漉程圖

2 系統硬件設計

　　為解決生產線的自動化生產，實現上料、切割、分料等一系列動作的準確順利完成，必須有一套完整的控制系統。控制系統一般分為硬件和軟件兩部分，其中硬件部分采用先進的SIEMENS控制系統和伺服控制系統，且整個控制系統主要分為主回路和控制回路，主回路主要完成對整個控制系統的配電部分，如完成對伺服功率單元、液壓氣壓系統電動機、切割電動機以及相關輔助部件的供配電；控制回路主要由sIEMENS公司的simotion D435運動控制器、伺服功率單元、TPl77B觸摸屏、E他00M遠程輸入輸出模塊、MM440變頻器等組成，控制系統結構框圖如圖2所示。Simotion控制系統是世界上第一款針對生產機械而設計的控制系統，將運動控制、邏輯控制集成于一身，為生產機械提供完整的解決方案。simotion D的功能集成在新的SI—NAMICS S120多軸驅動控制模板上，使之成為一個極其緊湊的擁有控制器及驅動的系統。Simotion D具有兩個時鐘同步的PROFIBUS接口和工業以太網接口，PROFIBuS接口主要用于E曉00M遠程輸人輸出模塊、TPl77B觸摸屏、變頻器與Simotion D運動控制器之間的通信，以太網主要用于控制器與生產管理系統之間的通信，而伺服功率單元機、電動機驅動模塊與simotion D435運動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的工作狀態以及數據的輸入輸出控制功能；遠程輸入輸出模塊用于采集光電開關、限位開關等傳感器的信號，并輸出液壓、氣壓裝置及其他相關附件的執行動作信號。

圖2控鍘系統結構框圖

　　控制系統主要實現了伺服系統、液氣壓系統的工藝與邏輯控制，以及機床的相關參數的設定和運行狀態的指示功能。

3 系統的軟件設計

　　3.1 程序設計

　　由于系統中存在著大量的輸人輸出、檢測反饋元件和執行元件，因此在程序設計時首先要解決的是系統的通訊和L／O分配問題，把系統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，并將以上配置組態下載到PLC中。在程序設計時主要分為主站程序和子站程序，并將其劃分為各個模塊，分別定義各模塊的作用和功能，根據生產工藝的要求確定各輸入、輸出量與操作之間的邏輯關系，并設計出相應的操作內容和操作順序；在程序編寫時根據細化設計原則，選擇合適的編程語言進行編程，確定語法和文檔的正確；在調試時重點是看程序是否按設計的要求進行且是否具備各種必要的功能，在發生故障時能否進行快速、準確的反應。

　　控制系統的程序設計主要分為上料、切割和下料3個部分，且根據機床的控制任務和機構相對獨立的特點，分別對它們編寫了子程序，這些子程序可以獨立起動執行，并且可以通過內部的標志位實現子程序間的聯動，從而實現生產動作的循環執行。

　　每個子程序還分為手動運行和自動運行兩部分，手動運行可以通過對上位機的簡單設置實現，自助運行在上電開始程序啟動后，會按照一定的邏輯關系和順序使各工序間有條不紊地進行動作。且為了保證動作的順序性，系統在程序設計時，采用了前后動作互鎖功能，即當前一個動作未完成時，后一個動作不能起動執行，從而保證了前后動作不會發生錯位。當不滿足安全執行條件時，即使發生動作指令，動作也不會執行，并且會通過人機界面向操作人員發出故障警告信息，從而保證了工作人員和機身的安全，程序流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖

3.2 人機界面設計

　　隨著現代化工業的發展以及機器復雜程度不斷提高，在生產過程中人機界面的重要性越來越受到設計人員的關注，人機界面的好與壞也體現著設備的先進性與智能化水平。該系統采用SIEMENS公司的TPl77B彩色觸摸屏，其與主運動控制器為同一公司產品，因此有良好的通訊接口，使運動控制器的信息更加直觀地反應在觸摸屏上，同時使機床的調試和加工參數的調整更加方便。由于觸摸屏使用強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警程序的編寫難度。

　　人機界面主要有開機畫面、主畫面、自動循環畫面、手動操作畫面、報警信息畫面等。開機畫面顯示機床的初始化信息；主畫面顯示機床的名稱、操作狀態、主控制器的運行狀態、參數設置、切換畫面按鈕及用于啟動、復位、置位的按鈕等；手動操作畫面顯示伺服軸回零、伺服軸正反向點動等；自動循環畫面用于顯示程序在自動運行時所正在進行的工序以及各軸的實際速度位置參數等；報警信息畫面用于顯示機床的故障信息，當操作不當出現故障時會自動彈出警告信息，使機床操作人員知道故障之所在。觸摸屏的畫面關系圖如圖4所示。

圖4主要的人機界面

　　3.3 生產線的監控與報警

　　為保證生產線的順利與安全生產，該系統通過觸摸屏TPl77B和操作站三色燈塔實時顯示各環節的生產狀況，并通過工業以太網在上位機上顯示。一旦生產出現故障，觸摸屏和上位機上都會出現故障信息，同時操作站三色燈塔紅色亮起，工作人員會根據故障信息進行緊急處理，保證生產的順利進行。

4 結語

　　該系統采用SIEMENs公司的Simotion D435控制器和伺服功率單元作為生產線的主要控制單元，因其自身強大的工程開發系統和多功能結構化軟件模塊，大大縮短了系統的開發周期，提高了系統運行的穩定性，在投人生產后提高了切管的效率和切管的質量，大大降低了生產成本，為托輥的后序生產奠定了基礎。此外結合Simotion運動控制系統設計的托輥管自動化生產線在生產實踐中的應用，不但改善了操作工人的勞動條件，降低了勞動人員的勞動強度，而且還能確保生產的安全性，提高了勞動生產率和產品的質量，生產線如圖5所示。
 

圖5托輥管生產線