楊志方,孫小兵,彭新顯,危必波 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北 武漢 430205)

基于PLC的涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊志方,孫小兵,彭新顯,危必波 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北 武漢 430205)

涂膠粘接是工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的手工涂膠存在諸多的問題,采用機(jī)器人涂膠成為提高涂膠質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效途徑。設(shè)計(jì)了一種基于PLC的涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng):涂膠粘接生產(chǎn)線主要由清洗烘干、加強(qiáng)圈和鏡座涂膠粘接、三層常溫高溫固化線、前環(huán)涂膠粘接、回轉(zhuǎn)線、連接體涂膠粘接、鏈傳動(dòng)線以及視覺系統(tǒng)組成;軟件編程分為Fama View組態(tài)編程、PLC編程、觸摸屏編程以及YAMAHA工業(yè)機(jī)器人編程4個(gè)部分。實(shí)踐表明,該控制系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要,切實(shí)改善了生產(chǎn)環(huán)境,提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

PLC;涂膠粘接生產(chǎn)線;控制系統(tǒng)

涂膠粘接是工業(yè)生產(chǎn)中極其重要的環(huán)節(jié),涂膠質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品最終的質(zhì)量。傳統(tǒng)的涂膠粘接都是采用人工的方法,工人憑借個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行涂膠粘接,由于工人熟練程度和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的差異,膠膜厚度無法穩(wěn)定控制,難以保證涂膠的質(zhì)量。另外,生產(chǎn)環(huán)境的惡劣以及膠水主要成分的含毒性嚴(yán)重影響著工人的身心健康[1-2],加上近年來工業(yè)的迅猛發(fā)展,出現(xiàn)招工困難,人力成本急劇上升的情況。因此,利用高新技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工涂膠粘接是十分必要的。下面,筆者設(shè)計(jì)了一種基于S7-200PLC涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng),涂膠粘接生產(chǎn)線最主要的功能是實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)圈、鏡座、前環(huán)和連接體4個(gè)部件涂膠和粘接的工藝工程,從而實(shí)現(xiàn)了涂膠粘接生產(chǎn)線的全自動(dòng)生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

涂膠粘接生產(chǎn)線主要由清洗烘干、加強(qiáng)圈和鏡座涂膠粘接、三層常溫高溫固化線、前環(huán)涂膠粘接、回轉(zhuǎn)線、連接體涂膠粘接、鏈傳動(dòng)線以及視覺系統(tǒng)組成。各個(gè)工位與視覺系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合以保證生產(chǎn)線的涂膠粘接工藝。圖1為涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的總體框圖。該控制系統(tǒng)采用主從站分布式控制結(jié)構(gòu),以一臺(tái)工控機(jī)和一臺(tái)西門子CPU226 PLC作為控制主站,其余生產(chǎn)線附近的控制柜CPU226 PLC作為從站,通過Modbus協(xié)議構(gòu)建總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。工控機(jī)以Fama View組態(tài)軟件進(jìn)行編程,完成對(duì)各個(gè)從站工位運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障監(jiān)控和報(bào)警以及編碼的顯示和報(bào)表等功能。涂膠粘接以及運(yùn)輸線從站工位以西門子CPU226 PLC為控制器,結(jié)合EM231數(shù)字量擴(kuò)展模塊,通過對(duì)亞德客氣缸電磁閥的控制以及步進(jìn)電機(jī)的控制以運(yùn)輸并裝配需涂膠粘接的各部件,同時(shí)控制YAMAHA工業(yè)機(jī)器人[3-4]的運(yùn)動(dòng)以滿足部件涂膠和裝配的需要,其中涂膠機(jī)噴膠的啟停通過YAMAHA工業(yè)機(jī)器人控制器的通用I/O進(jìn)行控制,同時(shí)配置西門子SMART1000觸摸屏,以做到所有氣缸的手動(dòng)操作、YAMAHA工業(yè)機(jī)器人的上電初始化、涂膠粘接的自動(dòng)操作以及氣缸和機(jī)器人的故障報(bào)警和實(shí)時(shí)處理。高溫固化從站以西門子CPU224 PLC為控制器,結(jié)合EM231數(shù)字量和EM235模/數(shù)擴(kuò)展模塊,完成烘箱溫度的采集,并通過西門子SMART1000觸摸屏完成溫度的實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控以及報(bào)警。視覺系統(tǒng)通過控制器的以太網(wǎng)接口將采集到的部件編碼傳輸?shù)焦た貦C(jī),以完成部件的計(jì)數(shù)和部件編碼的管理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯闹匾M成部分,該涂膠粘接生產(chǎn)線軟件編程分為4個(gè)部分: Fama View組態(tài)編程、PLC編程、觸摸屏編程以及YAMAHA工業(yè)機(jī)器人編程。

圖1 涂膠粘接生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體框圖

Fama View組態(tài)編程主要功能為:①實(shí)現(xiàn)對(duì)涂膠粘接生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視,顯示全部工藝流程及當(dāng)前工作概況;②對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的故障進(jìn)行采集并報(bào)警,同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制;③將視覺系統(tǒng)采集到的部件編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和打印,使用戶能清晰的了解生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況并能方便的對(duì)涂膠粘接的質(zhì)量進(jìn)行分析和記錄。

PLC為生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)主控制器,其主要功能為:①完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算;②發(fā)出指令控制氣缸電磁閥的得失電、步進(jìn)電機(jī)的啟停以及與工業(yè)機(jī)器人控制器間的數(shù)據(jù)銜接;③通過SEW伺服電機(jī)的通用I/O模式控制伺服電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速,以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各部件進(jìn)行傳輸和裝配的過程。

觸摸屏編程采用西門子HMI軟件Wincc flexible編程,其主要功能為:①實(shí)現(xiàn)對(duì)各工位氣缸電磁閥得失電的手動(dòng)操作以及YAMAHA工業(yè)機(jī)器人的初始化操作;②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各工位的故障并根據(jù)故障提示作出相應(yīng)的處理控制。

工業(yè)機(jī)器人主要通過YAMAHA單軸、雙軸以及三軸控制器的專用軟件進(jìn)行編程,以實(shí)現(xiàn)涂膠頭涂膠的軌跡運(yùn)動(dòng)以及裝配運(yùn)動(dòng)時(shí)的精確定位。

圖2為加強(qiáng)圈和鏡座、前環(huán)和連接體涂膠粘接工位的主程序流程圖。首先,系統(tǒng)上電后進(jìn)行氣缸初始化和機(jī)器人初始化,以確保所有的氣缸以及機(jī)械手臂處于正常工作的初始狀態(tài)且互不影響。初始化完成后,執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行程序,系統(tǒng)按PLC程序自動(dòng)完成部件的涂膠粘接工藝。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后,如果出現(xiàn)加強(qiáng)圈和鏡座、前環(huán)和連接體部件不足的情況,系統(tǒng)自動(dòng)暫停,待人工上料完成后緊接暫停前的狀態(tài)自動(dòng)運(yùn)行。

圖2 加強(qiáng)圈和鏡座、前環(huán)和連接體涂膠粘接工位主程序流程圖

3 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人

機(jī)器人是涂膠運(yùn)動(dòng)軌跡控制的核心部分[5],加強(qiáng)圈和鏡座工位的涂膠使用YAMAHA三軸機(jī)器人,前環(huán)、連接體工位的涂膠使用YAMAHA雙軸機(jī)器人。這里以YAMAHA三軸機(jī)器人為研究對(duì)象,三軸機(jī)器人可在X、Y、Z 3個(gè)平面自由移動(dòng),該系統(tǒng)采用三軸機(jī)器人的控制器為RCX240,其支持并口I/O、CC-Link、DeviceNet、Profibus、Ethernet多種類型設(shè)備,這里主要采用并口I/O連接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器與PLC之間的數(shù)據(jù)銜接。通過控制器的專用輸入/輸出口完成機(jī)器人的自動(dòng)運(yùn)行,圖3為機(jī)器人自動(dòng)模式切換、程序復(fù)位與程序執(zhí)行需滿足的時(shí)序。當(dāng)系統(tǒng)開始程序執(zhí)行后,三軸機(jī)器人按照控制器編寫的程序順序執(zhí)行完成涂膠的軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖3 模式切換、程序復(fù)位與程序執(zhí)行時(shí)序圖

3.2 涂膠機(jī)

涂膠機(jī)有自己的獨(dú)立控制系統(tǒng),配有觸摸屏設(shè)定膠液加熱所需達(dá)到的溫度范圍。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),蜂鳴器發(fā)出報(bào)警以提醒工作人員在觸摸屏上進(jìn)行警報(bào)解除操作。涂膠機(jī)的啟停信號(hào)與機(jī)器人控制器的通用I/O硬件連接,正常工作時(shí),可由機(jī)器人控制器發(fā)出指令:涂膠頭到位后開始涂膠,涂膠完成后,停止涂膠,涂膠頭更換位置進(jìn)行下一步的涂膠。由于涂膠機(jī)膠液的濃度比較大,每次停機(jī)超過10min,涂膠頭可能被堵塞,因此系統(tǒng)配有手動(dòng)腳踏設(shè)備以保證涂膠管的疏通。

3.3 視覺系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)采用歐姆龍F(tuán)Z3系列傳感技術(shù)[6-7],其在簡(jiǎn)易照明下可以拍攝出最佳圖像效果,并能夠更快、更多的收集測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。FZ3控制器通過并口I/O與PLC連接,當(dāng)工件涂膠粘接完成后,PLC發(fā)出指令觸發(fā)STEP信號(hào),即攝像頭拍照指令,拍攝完成后將所得到的圖片與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比和分析,在允許的誤差范圍內(nèi),控制器就會(huì)認(rèn)為此次涂膠粘接質(zhì)量合格,控制器通過OR信號(hào)將判定結(jié)果反饋給PLC,如果反饋為1,那么涂膠粘接合格,繼續(xù)下面的工序,如果反饋為0,那么PLC發(fā)出警報(bào)提醒工作人員在下一周期開始前將不合格的產(chǎn)品取走。

4 結(jié)語

涂膠粘接生產(chǎn)線通過現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行達(dá)到了預(yù)期的效果,其實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)生產(chǎn),工件自動(dòng)傳輸,涂膠設(shè)備涂膠精準(zhǔn)、快捷,粘接實(shí)現(xiàn)了數(shù)控自動(dòng)化操作,大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率,徹底改善了生產(chǎn)環(huán)境,減輕了對(duì)操作者的人身危害,同時(shí)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,操作靈活,維護(hù)方便,對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)而言是一個(gè)質(zhì)的跨越。

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[編輯]張濤

TP273

A

16731409(2014)25004103

2014-04-25

楊志方(1970-),男,碩士,副教授,現(xiàn)主要從事嵌入式系統(tǒng)及工業(yè)控制技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。