基于西門(mén)子PLC的彈簧腿總成裝配臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓艷（長(zhǎng)春一汽藍(lán)迪自動(dòng)化工程有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

孫杰（博世汽車(chē)部件（長(zhǎng)春）有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

現(xiàn)有的彈簧腿總成裝配臺(tái)大多數(shù)為使用一臺(tái)伺服電機(jī)[1]，使得其只能對(duì)長(zhǎng)度相同或變化不大的彈簧進(jìn)行壓縮裝配，生產(chǎn)類(lèi)型單一，難以滿(mǎn)足目前工廠(chǎng)對(duì)多樣性的要求。本文通過(guò)增加一臺(tái)伺服電機(jī)控制在不同位置對(duì)彈簧的固定，只需簡(jiǎn)單調(diào)試記錄其相應(yīng)的行程，即可完成完整的壓縮裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了不同長(zhǎng)度彈簧在同一個(gè)裝配臺(tái)的混合生產(chǎn)。

1 總體方案及流程

1.1 彈簧腿總成裝配臺(tái)的整體布局

彈簧腿總成裝配臺(tái)每次可同時(shí)生產(chǎn)一對(duì)彈簧腿總成，涉及人工參與的為放置減震器，放置彈簧以及放置隔振塊，其余過(guò)程全部自動(dòng)完成。該設(shè)備共設(shè)16個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸上裝有2個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，用于反映氣缸動(dòng)作狀態(tài)，是處于上位還是下位；正常情況下，氣缸動(dòng)作后，必定有一個(gè)磁性開(kāi)關(guān)發(fā)號(hào)，以反映氣缸動(dòng)作正常到位。本系統(tǒng)中其中一個(gè)擋塊氣缸由伺服電機(jī)控制其高度，如圖1中①所示，根據(jù)不同的彈簧腿總成種類(lèi)，擋塊氣缸設(shè)置為不同的高度。

圖1 彈簧腿總成裝配臺(tái)布局圖

1.2 彈簧腿總成裝配臺(tái)的邏輯流程

彈簧腿總成裝配臺(tái)是一種動(dòng)作復(fù)雜的裝配臺(tái)，其工作邏輯流程如圖2所示。首先確定所有氣缸處于初始位置，然后通過(guò)上位機(jī)下載所要生產(chǎn)的彈簧腿總成類(lèi)型。放入減震器并掃描二維碼，裝配臺(tái)檢測(cè)到減震器正確并占位后自動(dòng)夾緊。然后放入彈簧，按下雙手按鈕后裝配臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行對(duì)彈簧的扶正、夾緊、壓縮以及通過(guò)影像識(shí)別對(duì)彈簧種類(lèi)進(jìn)行確認(rèn)的過(guò)程。當(dāng)壓縮完成后，放入隔振塊、螺母，再次按下雙手按鈕后電動(dòng)扳手自動(dòng)下降擰緊。當(dāng)所有過(guò)程結(jié)束時(shí)，裝配臺(tái)自動(dòng)將組裝合格的彈簧腿總成放置到初始位置，則完成了整個(gè)裝配的過(guò)程。在此過(guò)程中，一旦中途出現(xiàn)不合格情況，系統(tǒng)自動(dòng)返回到上一步進(jìn)行糾正，考慮到螺母的螺紋耐力性，當(dāng)電動(dòng)扳手?jǐn)Q緊不合格時(shí)，即認(rèn)為該螺母失效，需要進(jìn)行更換，更換3次仍然不合格時(shí)，認(rèn)為該彈簧腿總成安裝失敗，需要將隔振塊人工取走，取走后按雙手按鈕，裝配臺(tái)完成自動(dòng)下降拆卸。

圖2 彈簧腿總成裝配臺(tái)邏輯流程圖

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主控制器采用西門(mén)子公司的300系列PLC[2]。設(shè)備上的傳感器、按鈕、電磁閥、信號(hào)燈等開(kāi)關(guān)信號(hào)連接到PLC的I/O模塊上，電動(dòng)扳手等設(shè)備都通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)到主控制器，從而保證了數(shù)據(jù)通訊的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性。為了做到更好的人機(jī)交互，配備了西門(mén)子公司的人機(jī)界面，顯示工件的實(shí)時(shí)信息，方便操作人員和管理人員實(shí)時(shí)查看裝配臺(tái)的壓裝信息。同時(shí)PLC上有工業(yè)以太網(wǎng)接口，與上位機(jī)通訊，在上位工控機(jī)上可以監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。采用研華公司的工控機(jī)作為上位監(jiān)控系統(tǒng)，組態(tài)王與主控制器PLC交換數(shù)據(jù)，將裝配臺(tái)的一些加工狀態(tài)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里?？紤]到裝配臺(tái)能夠進(jìn)行不同配方生產(chǎn)，在人機(jī)界面中做了生產(chǎn)品種的選擇項(xiàng)，使得裝配臺(tái)能柔性的滿(mǎn)足各種產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于將二維碼條碼槍及LENZE伺服控制器與西門(mén)子PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)采用的二維碼條碼槍為串口通訊模式，為了將其與西門(mén)子PLC相連接，需要在機(jī)架上增加CP340模塊[3]，然后使用STEP 7庫(kù)文件中發(fā)送功能塊及接收功能塊：Libraries→CP PtP→CP340→FB3 P_SENT、Libraries→CP PtP→CP340→FB2 P_RCV。調(diào)用功能塊后得到的為16進(jìn)制數(shù)，為了使程序簡(jiǎn)單，采用模塊化編程，將16進(jìn)制數(shù)依次轉(zhuǎn)換為字符格式，最終再將字符組合成字符串在程序中進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)在HMI上顯示。

LENZE伺服電機(jī)控制器有其專(zhuān)用的編程軟件Engineer HighLevel，本系統(tǒng)使用其2.17.0.0版本。在其Application Parameters中將使用的伺服電機(jī)進(jìn)行硬件及通訊配置，以便與電腦及PLC進(jìn)行連接。設(shè)置結(jié)束后可通過(guò)FB Editor對(duì)伺服控制器進(jìn)行編程，如圖3所示，列出的為對(duì)伺服電機(jī)位置和速度的編程方式。最后在All parameters中找到控制器運(yùn)行參數(shù)的word，將其與PLC中的控制字和狀態(tài)字依次對(duì)應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)LENZE伺服控制器與西門(mén)子PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由此可見(jiàn)，當(dāng)需要修改伺服電機(jī)速度等參數(shù)時(shí)，不必依賴(lài)于PLC，通過(guò)LENZE伺服電機(jī)控制器的專(zhuān)用編程軟件即可修改，并且簡(jiǎn)單易懂，極大的減少了編程的工作量和繁瑣程度，提高了編程人員的工作效率。

圖3 Engineer HighLevel 編程界面

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

在伺服電機(jī)控制器中，首先需要對(duì)伺服電機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)中的伺服電機(jī)配置的為絕對(duì)值編碼器，絕對(duì)值編碼器具有位置唯一，無(wú)需記憶，無(wú)需尋找參考點(diǎn)等特點(diǎn)，因此具有穩(wěn)定的抗干擾特性和數(shù)據(jù)可靠性， 通過(guò)Engineer HighLevel設(shè)置零點(diǎn)后，編碼器位置即可固定，進(jìn)而通過(guò)PLC進(jìn)行控制。

該裝配臺(tái)共三種控制方式：自動(dòng)方式、手動(dòng)方式、維修方式。在正常生產(chǎn)時(shí)，使用自動(dòng)方式，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的傳送與記錄，顯示各工位的生產(chǎn)狀態(tài)。啟動(dòng)工位電動(dòng)扳手，左右設(shè)備同時(shí)滿(mǎn)足上一步條件后才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。手動(dòng)方式適用于裝配未調(diào)試配方，即新的彈簧腿總成類(lèi)型，對(duì)不合格件的拆除。相關(guān)的按鈕在人機(jī)界面手動(dòng)操作畫(huà)面上，如圖4所示。手動(dòng)操作共有12組畫(huà)面組成，分別表示不同元件的動(dòng)作。該畫(huà)面用于手動(dòng)的操作及指導(dǎo)，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入對(duì)應(yīng)氣缸或伺服電機(jī)的操作畫(huà)面，如圖5所示，然后通過(guò)右下角的上一步下一步進(jìn)行操作選擇。當(dāng)生產(chǎn)出彈簧腿不滿(mǎn)足工藝要求時(shí)，需要手動(dòng)進(jìn)行拆除。點(diǎn)擊子頁(yè)面的返回按鈕即回到手動(dòng)操作的主頁(yè)面。維修方式用于對(duì)設(shè)備的維修。

圖4 彈簧腿總成裝配臺(tái)手動(dòng)總界面

圖5 彈簧腿總成裝配臺(tái)手動(dòng)詳細(xì)界面

人機(jī)界面編程軟件使用的是西門(mén)子的WinCC Flexible，位于裝配臺(tái)懸臂上，共有22組畫(huà)面，用于指導(dǎo)生產(chǎn)裝配與故障維修，各組畫(huà)面可進(jìn)行隨意的切換，根據(jù)生產(chǎn)的需要找到其相應(yīng)畫(huà)面進(jìn)行查看，如圖6-7所示。當(dāng)需要下載配方、清除扳手?jǐn)?shù)據(jù)等操作時(shí)，設(shè)置了相應(yīng)的密碼，從而避免操作人員的誤操作，使得系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。

圖6 彈簧腿總成裝配臺(tái)主界面

圖7 彈簧腿總成裝配臺(tái)條碼界面

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)增加一套伺服電機(jī)與PLC的結(jié)合，達(dá)到了在同一個(gè)裝配臺(tái)上生產(chǎn)不同品種彈簧腿總成產(chǎn)品，提高了不同產(chǎn)品的混合生產(chǎn)率，降低了機(jī)器及人工成本。由于全系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)穩(wěn)定性。利用伺服控制器編程減少了PLC編程的繁瑣程度，在以后對(duì)生產(chǎn)精度要求嚴(yán)格的系統(tǒng)中，可充分利用該方法。

[1] 嘉男. 伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[2] 孫海維. SIMATIC可編程序控制器及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

[3] 鄧雁妮, 孫勇, 謝磊. 基于CP340的PLC與RKC溫控儀表通訊的實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動(dòng)化, 2006, (06).