劉其洪，郭 建

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)腳輪支架多是手工沖壓生產(chǎn)，傳統(tǒng)的人工上下料沖壓不僅安全性低，而且工人容易疲勞，造成生產(chǎn)事故。近幾年來(lái)，有部分國(guó)內(nèi)廠家采用多工位級(jí)進(jìn)模生產(chǎn)腳輪支架，可以在一副模具中完成沖裁、彎曲、拉伸翻孔等多種沖壓工序[1]，從而提高了腳輪支架的自動(dòng)生化生產(chǎn)程度，但是級(jí)進(jìn)模對(duì)沖床的要求高，所以很難廣泛應(yīng)用。國(guó)外的多臺(tái)沖床連線機(jī)械手是專為搭配3臺(tái)以上沖床連續(xù)自動(dòng)化沖壓作業(yè)所設(shè)計(jì)的沖壓機(jī)械手[2]，可以用于腳輪支架的自動(dòng)化生產(chǎn)，但是價(jià)格非常昂貴。文中根據(jù)客戶的要求，專門設(shè)計(jì)了一種腳輪支架自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線，以提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工藝流程和生產(chǎn)線的組成

腳輪支架加工工藝流程如圖1所示。生產(chǎn)線需要完成上料，沖孔壓印，拉深成形，側(cè)沖孔，以及腳輪支架頂部的沖孔，整形等工序。文中設(shè)計(jì)開發(fā)的自動(dòng)化生產(chǎn)線由6臺(tái)機(jī)械手、4臺(tái)沖床和1臺(tái)上料機(jī)組成。

圖1 工藝流程

腳輪支架生產(chǎn)線的示意圖如圖2所示，沖孔壓印工序采用了一個(gè)有兩工位的機(jī)械手，定義為一號(hào)機(jī)械手。拉深工序采用了2個(gè)機(jī)械手，定義為二號(hào)機(jī)械手和三號(hào)機(jī)械手。側(cè)沖孔工序采用了2個(gè)機(jī)械手，定義為四號(hào)機(jī)械手和五號(hào)機(jī)械手。頂部沖孔和整形采用了2個(gè)機(jī)械手，定義為五號(hào)機(jī)械手和六號(hào)機(jī)械手。機(jī)械手的任務(wù)是自動(dòng)抓取上一工位完成沖壓的腳輪支架零件，并運(yùn)送到下一工位，并且準(zhǔn)確地放入模具的指定位置。根據(jù)各個(gè)工序和模具的特點(diǎn)，一號(hào)到五號(hào)機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)Z軸的升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械手末端的抓取、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，六號(hào)機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)Z軸的升降以及X軸的水平移動(dòng)。

2 控制要求

腳輪支架沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線要實(shí)現(xiàn)工件的快速取放與運(yùn)輸，除了要保證可以連續(xù)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，還有以下功能要求：

(1)緊急停止，系統(tǒng)在工作狀態(tài)隨時(shí)會(huì)遇到緊急情況，所以需要在設(shè)備上安裝緊急停止按鈕。一旦發(fā)生緊急情況，只需要按下緊急停止按鈕，整套生產(chǎn)線立即停止工作；緊急情況處理后，按原點(diǎn)復(fù)歸按鈕使生產(chǎn)線各部分回歸原位；

(2)安全性。腳輪支架自動(dòng)化生產(chǎn)線的沖床的沖壓力都在40 t以上，只有保證腳輪支架入模到位，各個(gè)機(jī)械手沒(méi)有運(yùn)動(dòng)障礙，壓力機(jī)方可沖壓，否則壓力機(jī)不能動(dòng)作；

(3)生產(chǎn)運(yùn)行模式切換，該條生產(chǎn)線的運(yùn)行方式有單次生產(chǎn)模式和循環(huán)生產(chǎn)模式。單次生產(chǎn)模式主要用于設(shè)備的監(jiān)測(cè)、調(diào)試，循環(huán)生產(chǎn)模式主要用于實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程；

圖2 腳輪支架生產(chǎn)線示意圖

(4)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警。要求在生產(chǎn)線在生產(chǎn)運(yùn)行模式中，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤(定位失誤、工件滑脫等)，傳感器檢測(cè)后，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警中斷模式，故障排除后，按下報(bào)警復(fù)位后，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

可編程控制器(PLC) 具有通用性強(qiáng)，維修方便，可靠性高，編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是PLC也有缺點(diǎn)，它在人機(jī)對(duì)話、故障判斷和線路修改等方面不方便。為了能直觀的了解自動(dòng)化生產(chǎn)線的加工過(guò)程和對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，需要選擇一個(gè)上位機(jī)來(lái)配合PLC，這樣才能組成一個(gè)性能優(yōu)良的自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動(dòng)化生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動(dòng)化生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

PLC內(nèi)部的CPU單元負(fù)責(zé)是控制整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制過(guò)程。觸摸屏通過(guò)RS-232串口和CPU通訊，傳達(dá)用戶的指令。系統(tǒng)輸出模塊向伺服驅(qū)動(dòng)器傳送輸出信號(hào)，進(jìn)而使伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)伺服電機(jī)內(nèi)部的編碼器和位置傳感器把機(jī)械手的位置信號(hào)反饋到輸入模塊，CPU單元從輸入模塊讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)而改變伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)的回路[4]。

根據(jù)生產(chǎn)線所需要的I/O點(diǎn)數(shù)量，確定PLC的型號(hào)和觸摸屏型號(hào)。PLC選用的是FX3u-80M[5]型號(hào)的產(chǎn)品，觸摸屏的型號(hào)是A975GOT1000[6]型號(hào)的產(chǎn)品。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制軟件和觸摸屏設(shè)計(jì)軟件兩部分。

4．1PLC控制軟件設(shè)計(jì)

GX-Developer軟件是用于三菱系列PLC的編程軟件，具有項(xiàng)目管理、程序輸入、編譯鏈接、模擬仿真及程序調(diào)試功能。程序采用SFC順序功能圖編寫，程序包括初始化模塊和生產(chǎn)運(yùn)行模塊?？刂瞥绦虻牧鞒倘鐖D4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入初始化模塊，只在程序上電后執(zhí)行1次，然后進(jìn)入運(yùn)行模塊。其中最先必須進(jìn)行初始定位模式，當(dāng)機(jī)械手接收到初始定位指令后，根據(jù)位置傳感器反饋信號(hào)機(jī)械手升降、旋轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)位置，再執(zhí)行預(yù)設(shè)的位置控制指令運(yùn)動(dòng)回到初始位置。初始定位完成后，進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行模式，上料機(jī)自動(dòng)上料，然后機(jī)械手以取件、搬運(yùn)、送件的循環(huán)順序開始運(yùn)行，依次完成沖孔壓印，拉深成形，側(cè)沖孔，頂部沖孔，整形等工序。在生產(chǎn)運(yùn)行模式中，無(wú)論哪一道工序出現(xiàn)故障，經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)后，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入報(bào)警中斷模式，運(yùn)動(dòng)即刻停止，排除故障后，按下報(bào)警復(fù)位按鈕，就可以繼續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。生產(chǎn)結(jié)束后，向機(jī)械手發(fā)送復(fù)位指令，機(jī)械手回到初始位置，等待關(guān)機(jī)。

初始定位過(guò)程要求既迅速又準(zhǔn)確，機(jī)械手的定位依賴于伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，該系統(tǒng)伺服電機(jī)的控制方式采用的是位置控制，輸入的脈沖數(shù)控制機(jī)械手的位置，以輸入的脈沖頻率來(lái)控制速度。對(duì)伺服電機(jī)的最高速度、爬行速度、原點(diǎn)回歸速度以及加速和減速時(shí)間等一系列參數(shù)進(jìn)行賦值的PLC梯形圖如圖5所示。

圖5初始定位對(duì)應(yīng)的參數(shù)賦值程序

4．2觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

GT Designer3是人機(jī)界面編程軟件，它提供了多種功能器件和功能組件，能組合各種顯示和控制功能。觸摸屏軟件設(shè)計(jì)包括界面設(shè)計(jì)和信息設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟可以分為3個(gè)部分。

(1)創(chuàng)建可視化的界面，在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合加工的控制要求設(shè)計(jì)不同的畫面[7]；

(2)設(shè)置通訊參數(shù)以實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)通信；

(3)設(shè)定變量。變量在觸摸屏的組態(tài)功能與PLC的相應(yīng)I/O接點(diǎn)以及存儲(chǔ)單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對(duì)PLC參數(shù)的輸入，PLC當(dāng)前值以及報(bào)警信號(hào)向觸摸屏的輸出，最后通過(guò)觸摸屏RS-232串口實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊[8]。

為實(shí)現(xiàn)觸摸屏的觸控功能，需對(duì)初始定位按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入設(shè)置，并編寫相應(yīng)的PLC代碼(梯形圖)。與初始定位按鍵所對(duì)應(yīng)的PLC程序如圖6所示。

圖6 初始定位按鍵對(duì)應(yīng)的PLC程序

根據(jù)腳輪加工生產(chǎn)線的控制要求，設(shè)計(jì)的觸摸屏主窗口界面如圖7所示，故障報(bào)警界面如圖8所示。初始定位模式用于系統(tǒng)復(fù)位到系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)；在生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行前必須先啟動(dòng)初始定位模式；啟動(dòng)單次生產(chǎn)模式和循環(huán)生產(chǎn)模式必須進(jìn)行系統(tǒng)的初始定位，當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障，觸摸屏就彈出故障顯示界面同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，故障排除后，按下報(bào)警復(fù)位，生產(chǎn)線繼續(xù)運(yùn)行。

圖7 觸摸屏主窗口設(shè)計(jì)

圖8 報(bào)警界面

5 結(jié)束語(yǔ)

腳輪支架沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)運(yùn)行一年多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面操作方便，自動(dòng)化程度高，充分發(fā)揮了觸摸屏人機(jī)界面友好的特點(diǎn)和PLC功能強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、故障率低、易維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，很好地滿足了客戶的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳炎嗣．多工位級(jí)進(jìn)模的發(fā)展與應(yīng)用．金屬加工(冷加工)，2013(2)：14-17．

[2]松岡自動(dòng)化．http：//www．a(chǎn)icne．com．

[3]王俊英，譚紅川．基于PLC和觸摸屏的高精度內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)．制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(16)：31-133．

[4]王焱，葉高翔，朱善安．PLC和觸摸屏在石英晶體諧振器組裝系統(tǒng)中的應(yīng)用．機(jī)電工程，2006，23(10)：49-51．

[5]MITSUBISH公司．FX3U系列微型可編程控制器編程手冊(cè)，2009．

[6]MITSUBISH公司．A985GOT/ A975GOT/ A970GOT/ A960GOT用戶手冊(cè)，2007．

[7]HUANG，Qian，Qing，Hai，Heng，Jian，Sun．Designing Industrial Batching Based On Touch Panel And PLC ．The Ninth International Conference On Electric Measurement And Instrument，2009，(3)：281-284．

[8]岳明君，趙振．觸摸屏和PLC在棉花打包機(jī)控系統(tǒng)中的應(yīng)用．機(jī)電一體化，2006，12(2)：66-67．

作者簡(jiǎn)介：劉其洪(1966—)，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字制造及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、現(xiàn)代檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)。

E-mail：qhliu@scut．edu．cn．

郭建(1987—)，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字制造及計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。E-mail：gj8912866@163．com