基于觸摸屏與PLC的腳輪支架沖壓自動線控制系統(tǒng)設(shè)計

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，有部分國內(nèi)廠家采用多工位級進(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生化生產(chǎn)程度，但是級進(jìn)模對沖床的要求高，所以很難廣泛應(yīng)用。國外的多臺沖床連線機(jī)械手是專為搭配3臺以上沖床連續(xù)自動化沖壓作業(yè)所設(shè)計的沖壓機(jī)械手[2]，可以用于腳輪支架的自動化生產(chǎn)，但是價格非常昂貴。文中根據(jù)客戶的要求，專門設(shè)計了一種腳輪支架自動化沖壓生產(chǎn)線，以提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品競爭力。

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)計開發(fā)的自動化生產(chǎn)線由6臺機(jī)械手、4臺沖床和1臺上料機(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有兩工位的機(jī)械手，定義為一號機(jī)械手。拉深工序采用了2個機(jī)械手，定義為二號機(jī)械手和三號機(jī)械手。側(cè)沖孔工序采用了2個機(jī)械手，定義為四號機(jī)械手和五號機(jī)械手。頂部沖孔和整形采用了2個機(jī)械手，定義為五號機(jī)械手和六號機(jī)械手。機(jī)械手的任務(wù)是自動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)各個工序和模具的特點(diǎn)，一號到五號機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)Z軸的升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及機(jī)械手末端的抓取、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動，六號機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)Z軸的升降以及X軸的水平移動。

2 控制要求

腳輪支架沖壓自動化生產(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)隨時會遇到緊急情況，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，各個機(jī)械手沒有運(yùn)動障礙，壓力機(jī)方可沖壓，否則壓力機(jī)不能動作；

(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、調(diào)試，循環(huán)生產(chǎn)模式主要用于實(shí)際的生產(chǎn)過程；

圖2 腳輪支架生產(chǎn)線示意圖

(4)故障監(jiān)測報警。要求在生產(chǎn)線在生產(chǎn)運(yùn)行模式中，一旦出現(xiàn)錯誤(定位失誤、工件滑脫等)，傳感器檢測后，蜂鳴器就會報警，系統(tǒng)進(jìn)入報警中斷模式，故障排除后，按下報警復(fù)位后，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

可編程控制器(PLC) 具有通用性強(qiáng)，維修方便，可靠性高，編程簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是PLC也有缺點(diǎn)，它在人機(jī)對話、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化生產(chǎn)線的加工過程和對加工過程的實(shí)時在線監(jiān)控，需要選擇一個上位機(jī)來配合PLC，這樣才能組成一個性能優(yōu)良的自動控制系統(tǒng)。因此設(shè)計了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動化生產(chǎn)的控制系統(tǒng)。因此設(shè)計了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動化生產(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)是控制整個自動化生產(chǎn)線的控制過程。觸摸屏通過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)動器傳送輸出信號，進(jìn)而使伺服電機(jī)運(yùn)動，控制機(jī)械手的升降運(yùn)動和機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時伺服電機(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)動狀態(tài)，由此構(gòu)成了整個控制系統(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的型號和觸摸屏型號。PLC選用的是FX3u-80M[5]型號的產(chǎn)品，觸摸屏的型號是A975GOT1000[6]型號的產(chǎn)品。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

4．1PLC控制軟件設(shè)計

GX-Developer軟件是用于三菱系列PLC的編程軟件，具有項目管理、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，無論哪一道工序出現(xiàn)故障，經(jīng)過傳感器檢測后，系統(tǒng)就會進(jìn)入報警中斷模式，運(yùn)動即刻停止，排除故障后，按下報警復(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，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控制速度。對伺服電機(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初始定位對應(yīng)的參數(shù)賦值程序

4．2觸摸屏軟件設(shè)計

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)計包括界面設(shè)計和信息設(shè)計，設(shè)計步驟可以分為3個部分。

(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)以及存儲單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對PLC參數(shù)的輸入，PLC當(dāng)前值以及報警信號向觸摸屏的輸出，最后通過觸摸屏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應(yīng)的PLC程序如圖6所示。

圖6 初始定位按鍵對應(yīng)的PLC程序

根據(jù)腳輪加工生產(chǎn)線的控制要求，設(shè)計的觸摸屏主窗口界面如圖7所示，故障報警界面如圖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)線自動運(yùn)行前必須先啟動初始定位模式；啟動單次生產(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蜂鳴器報警，故障排除后，按下報警復(fù)位，生產(chǎn)線繼續(xù)運(yùn)行。

圖7 觸摸屏主窗口設(shè)計

圖8 報警界面

5 結(jié)束語

腳輪支架沖壓自動化生產(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，降低了工人的勞動強(qiáng)度，很好地滿足了客戶的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]松岡自動化．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．制造業(yè)自動化，2012，34(16)：31-133．

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

[6]MITSUBISH公司．A985GOT/ A975GOT/ A970GOT/ A960GOT用戶手冊，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．

作者簡介：劉其洪(1966—)，副教授，主要研究領(lǐng)域為數(shù)字制造及計算機(jī)應(yīng)用、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)、現(xiàn)代檢測與監(jiān)控技術(shù)。

E-mail：qhliu@scut．edu．cn．

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