沖壓自動化控制原理及故障分析

周國平

為提高生產(chǎn)效率，提高沖壓自動化程度，2013年我公司從韓國引進(jìn)沖壓自動化技術(shù)，由機(jī)器人操作代替了人工操作，由PLC控制代替了人工控制，先后安裝了2條沖壓自動化生產(chǎn)線。

1.自動化線配置

自動化線的配置主要包含壓力機(jī)、機(jī)械手及自動化系統(tǒng)。壓力機(jī)有沃得精機(jī)JH21-200、JH21-250、JH21-315；韓國信佩4000kN、6000kN、10000kN。機(jī)器人日本安川機(jī)器人MH50、ES165D。自動化系統(tǒng)（韓國）：操作臺——三菱Q，CClink 32DT、堆垛臺×2、整理臺、傳送帶×2。

2.自動化操作控制原理

（1）自動化沖壓線概況 如圖1所示，紅色R代表機(jī)器人（Robot），綠色P代表壓力機(jī)（Press）。自動化沖壓線的工作順序按照：①～②R1從堆垛臺吸起料片并放到整理臺上。③～⑤R2從整理臺吸起料片并放到二張檢測位置進(jìn)行檢測，然后放入P1進(jìn)行沖壓。⑥～⑦R3把P1中沖好的料片吸起然后送到P2中進(jìn)行沖壓。⑧～⑨R4把P2中沖好的料片吸起然后把料片送到P3中進(jìn)行沖壓。R5把P3中沖好的料片吸起然后放到P4中沖壓。R6把P4中沖好的料片吸起并放到傳送帶上。按這13個步驟進(jìn)行，并以此往復(fù)。

（2）取放料工作過程 為更詳細(xì)了解自動化中沖壓線是如何實現(xiàn)機(jī)器人與壓力機(jī)配合工作，我們針對機(jī)器人R2的取料、檢測、上料及機(jī)器人R3取料流程為例，進(jìn)行動作分析，如圖2所示。

第一步，機(jī)器人R2向整理臺取料。如圖3所示，當(dāng)整理臺上有料片時，整理臺上的接近傳感器會發(fā)生感應(yīng)，指示燈變亮。當(dāng)機(jī)器人R1不向整理臺投放料片時，整理臺會給機(jī)器人R2發(fā)送一個要求機(jī)器人R2去取料的信號。

當(dāng)機(jī)器人R2接收到信號后，開始向整理臺料片上方運(yùn)動，并準(zhǔn)備吸料。如圖4所示，當(dāng)機(jī)器人R2吸料時，真空傳感器會進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)料片被吸住時，真空傳感器上的顯示屏?xí)兂杉t色，并把信號反饋給機(jī)器人R2，傳輸?shù)綑C(jī)器人R2料片已經(jīng)吸住，可以執(zhí)行下一步。于是，機(jī)器人R2吸著料片離開整理臺，向兩張檢測的位置前進(jìn)。真空傳感器的作用在于保證機(jī)器人R2吸住料片。

圖1 自動化沖壓線工作流程

圖2 R2工作流程

圖3 R2取料

第二步，兩張檢測。如圖5所示，此時機(jī)器人R2已經(jīng)帶著料片來到了兩張檢測的位置進(jìn)行檢測。兩張檢測的目的在于檢測機(jī)器人所吸料片的厚度，保證只有一張料片進(jìn)入壓力機(jī)P1進(jìn)行沖壓。如果檢測裝置檢測正常，只有一張料片，則傳感器顯示綠色，表示檢測合格，機(jī)器人R2執(zhí)行上料程序。否則傳感器顯示為紅色，機(jī)器人P2執(zhí)行扔料程序。

第三步，上料、沖壓、離開。如圖6所示，如果兩張檢測確認(rèn)機(jī)器人R2只吸到一張料片，則機(jī)器人R2會帶著料片來到壓力機(jī)P1沖壓區(qū)域外進(jìn)行等待，這里是為了保證機(jī)器人只有在安全情況下才進(jìn)入沖壓區(qū)域。

如圖7所示，當(dāng)壓力機(jī)在350°～10°、機(jī)器人R3不向壓力機(jī)P1取料、壓力機(jī)P1無料片等條件同時滿足時，會反饋信號給機(jī)器人R2要求機(jī)器人到壓力機(jī)P1模區(qū)放料。于是機(jī)器人R2帶著料片來到壓力機(jī)P1模具的上方。這是個保護(hù)條件，保證機(jī)器人R2不在壓力機(jī)P1沖壓時放料，機(jī)器人R2不在機(jī)器人R3取料時放料，不在壓力機(jī)P1上有料時放料，這就是上文所述的安全保護(hù)情況。

如圖8所示，當(dāng)機(jī)器人R2帶著料片來到模具上方時，會輸出一個信號給真空泵，要求關(guān)閉真空泵，停止吸氣。與此同時，真空傳感器進(jìn)行監(jiān)控。如果真空傳感器無信號，并顯示為綠色時，表示料片已放下。此處真空傳感器的作用在于保證料片落在沖壓區(qū)域。

如圖9所示，當(dāng)真空傳感器沒有感應(yīng)到吸氣時，則機(jī)器人R2會直接接收到確認(rèn)料片落在模具上的信號，于是機(jī)器人R2離開沖床工作區(qū)域等待整理臺下一次給機(jī)器人發(fā)送取料信號。在機(jī)器人R2離開后，會發(fā)送信號給壓力機(jī)P1，表示它已到了安全區(qū)域可以沖壓了。當(dāng)壓力機(jī)P1收到信號時，執(zhí)行一次沖壓。此次也是起保護(hù)作用，保證沖壓時無機(jī)器人放料取料，保證設(shè)備安全。

第四步，機(jī)器人R3取料。如圖10所示，與此同時，機(jī)器人R3在壓力機(jī)P1沖壓區(qū)外等待。當(dāng)壓力機(jī)P1沖壓一次過后會給等待的機(jī)器人R3發(fā)送一個信號。當(dāng)壓力機(jī)P1在350°～10°且壓力機(jī)P1上有料、機(jī)器人R2不向壓力機(jī)P1放料同時滿足時，機(jī)器人R3開始動作進(jìn)行取料過程。取料原理同機(jī)器人R2取料過程。這樣，機(jī)器人R2的取料、檢測、上料、沖壓完成一個循環(huán)，這一循環(huán)就簡單介紹清楚了，該種信號的交流方式適用于整個自動化系統(tǒng)。

3.機(jī)器人R2動作PLC控制原理詳解

在取放料工作過程中，我們對機(jī)器人R2的工作流程做了一個簡單的PLC動作解析。但要深入了解機(jī)器人與PLC、壓力機(jī)之間信號的聯(lián)系，或以后對自動化系統(tǒng)進(jìn)行改造、優(yōu)化，我們要對機(jī)器人和PLC的內(nèi)部程序進(jìn)行了解。因此，我們摳出上節(jié)機(jī)器人R2運(yùn)動過程中的上料、沖壓、離開這段內(nèi)容，在程序?qū)用嫔线M(jìn)行更深入的分析。機(jī)器人R2的上料過程從兩張料片檢測合格后講起。

圖4 R2吸料

圖5 兩張檢測

圖6 R2等待沖壓

圖7 R2上料

圖8 放料

圖9 沖壓

圖10 R3取料

如圖11所示，兩張檢測合格后，PLC會輸入一個信號給機(jī)器人，于是機(jī)器人R2執(zhí)行內(nèi)部的上料程序，如圖所示機(jī)器人內(nèi)部程序跳轉(zhuǎn)到0040 *OK開始。然后機(jī)器人R2運(yùn)行到壓力機(jī)P1沖壓區(qū)外部，并停止等待，等待信號IN10，IN10就是觸發(fā)機(jī)器人R2執(zhí)行上料程序的信號（MOVJ為機(jī)器人內(nèi)部使機(jī)器人運(yùn)行到目標(biāo)位置的程序）。

如圖12所示，在PLC內(nèi)部程序中，當(dāng)壓力機(jī)P1在350°～10°、機(jī)器人R3不向壓力機(jī)P1上料、壓力機(jī)P1上無料片3個條件同時滿足時，壓力機(jī)會對PLC輸出信號Y379（IN10），這就是機(jī)器人R2在沖壓區(qū)外所等待的信號IN10，并且該信號會通過PLC輸入機(jī)器人R2。這段程序的意思就是說當(dāng)滿足以上條件時，壓力機(jī)P1會告訴機(jī)器人R2現(xiàn)在可以進(jìn)入沖壓區(qū)域上料了。

如圖13所示，回到機(jī)器人內(nèi)部程序，當(dāng)機(jī)器人R2接收到信號IN10后，會執(zhí)行內(nèi)部程序，輸出信號OT10，這個信號起反饋、保護(hù)作用，意思是說在發(fā)出這個信號后，機(jī)器R2上料這段過程中，壓力機(jī)P1不允許沖壓并且機(jī)器人R3不允許向壓力機(jī)P1中取料，這樣就保證了機(jī)器人和壓力機(jī)之間不會因為信號沖突而導(dǎo)致危險事故。在發(fā)出信號OT10后，機(jī)器人R2執(zhí)行內(nèi)部程序，帶著料片運(yùn)動到壓力機(jī)P1模具上方。

如圖14所示，在機(jī)器人R2吸著料片到達(dá)壓力機(jī)模具上方的時候，會輸出信號OT16，并把OT16輸入到PLC，然后經(jīng)過PLC輸出信號Y36B，Y36B會把機(jī)器人R2上的真空泵關(guān)閉，使其停止吸氣，并停下等待。于是，料片會落在壓力機(jī)1的模具上。

如圖15所示，機(jī)器人R2上的真空傳感器始終保持監(jiān)控。當(dāng)料片落下時，真空傳感器會監(jiān)控?zé)o料片，使PLC常閉軟原件X349通路，直接輸入信號X349給PLC。于是PLC輸出信號IN16，并輸入IN16給機(jī)器人，告訴機(jī)器人料片確實已經(jīng)在模具上了，可以進(jìn)行下一步動作。這就是機(jī)器人放完料片后停下等待的信號。

如圖16所示，接收到信號IN16后機(jī)器人R2執(zhí)行內(nèi)部程序，離開沖壓區(qū)域，并輸出信號關(guān)斷之前進(jìn)入壓力機(jī)P1時所發(fā)出的信號OT10，告訴PLC它離開了，從現(xiàn)在開始起壓力機(jī)P1的沖壓與機(jī)器人R3的取料都是允許運(yùn)行的（OT10是機(jī)器人R2進(jìn)入壓力機(jī)P1時所發(fā)出的信號）。

如圖17所示，此時機(jī)器人R2回到原點，并發(fā)送信號OT11給PLC，然后該信號經(jīng)過PLC內(nèi)部的一段轉(zhuǎn)換輸出Y150，并通過PLC輸入給壓力機(jī)P1。在壓力機(jī)P1接收到信號Y150時，則執(zhí)行一次沖壓動作。至此，機(jī)器人R2完成上料、離開、沖壓的程序過程。

圖11 等待信號

圖12 R2上料滿足條件

圖13 R2上料

圖14 R2放料

圖15 R2放料完畢

圖16 R2離開沖壓區(qū)

圖17 P1沖壓

4.自動化沖壓線的維修及故障排除

自動化沖壓線由1臺PLC控制柜、4臺壓力機(jī)、6臺機(jī)器人、1臺工作臺、2臺堆垛臺、1臺整理臺所組成的生產(chǎn)線。因為面對的是由十多臺機(jī)器所組成的生產(chǎn)系統(tǒng)，所以直接通過傳統(tǒng)機(jī)械維修、排查故障的方法在自動化線上會顯得捉襟見肘。有時生產(chǎn)線突發(fā)故障，報警或是停機(jī)可能會讓維修人員糾結(jié)很久才找出問題所在，嚴(yán)重降低了維修效率，影響生產(chǎn)。因此，在遇到問題時，我們需要通過對PLC監(jiān)控的方法，利用PLC程序使我們知道是哪一臺機(jī)器引發(fā)的故障，并細(xì)化到哪一部分，然后針對該機(jī)器進(jìn)行相應(yīng)的維修。其中，在PLC程序的網(wǎng)絡(luò)205和網(wǎng)絡(luò)290是報警、暫停的主干程序，在故障發(fā)生時，我們可以首先對這兩個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行觀察然后找出問題所在。

下面以一個例子作為說明：假設(shè)自動化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中突然停止工作。如何通過對程序監(jiān)控找出相應(yīng)的問題，并把故障排除。圖18通過對PLC程序的監(jiān)控，我們可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)290中的輸出M520（機(jī)械手暫停）有輸出。于是往前推理，發(fā)現(xiàn)只有中間繼電器M88（吸附錯誤）才是接通M520的那個軟原件。因此可知，機(jī)器人吸附錯誤是導(dǎo)致此次暫停事故的原因。

如圖19所示，于是我們針對M88進(jìn)行查找，并找到網(wǎng)絡(luò)345，這是輸出M88（吸附錯誤）的程序。通過推理可以知道，M88是由時間繼電器T201通路所觸發(fā)的。由此可知，這次事故是由機(jī)器人R1吸附錯誤引發(fā)的。

如圖20所示，繼續(xù)對時間繼電器T201進(jìn)行查找，我們可以追述到網(wǎng)絡(luò)3430，并發(fā)現(xiàn)X31C（機(jī)器人1吸附錯誤監(jiān)視）是這次報警事故的源頭。針對X31C展開調(diào)查，知道這是機(jī)器人R1在吸料的過程中所發(fā)出的監(jiān)視信號，是常通的。所以，中間繼電器M371在機(jī)器人R1吸料的過程中也應(yīng)該是常通的，所以回到網(wǎng)絡(luò)3493，要想不讓M201觸發(fā)并輸出報警，只有使X309機(jī)器人R1的真空傳感器的常閉觸點開路，才能使整個線路斷開，PLC才不會輸出報警。

可得出3個推論：①機(jī)器人R1在吸料過程中沒有把料片吸住或在運(yùn)送過程中料片掉落導(dǎo)致的停機(jī)。②機(jī)器人R1的真空傳感器損壞或是不靈敏導(dǎo)致的停機(jī)。③真空泵沒有吸力導(dǎo)致的停機(jī)事故。這樣，我們就可以通過這3個推論進(jìn)行排查，解決此次停機(jī)事故，以上就是通過對PLC程序監(jiān)控對自動化生產(chǎn)線故障做排查的方法。通過這種方法可以使維修工作變得更加安全、高效。

圖18 尋找故障

圖19 R1吸附錯誤

圖20 找出原因

5.結(jié)語

引進(jìn)、消化、吸收引進(jìn)設(shè)備原理，對日后操作、維護(hù)和改進(jìn)都很有作用，要提高沖壓線效率，縮短沖壓時間，熟悉了原理就能夠進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。