分體式換熱器自動(dòng)切片組裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志江，宋凱，王內(nèi)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北武漢430205）

分體式換熱器自動(dòng)切片組裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志江，宋凱，王內(nèi)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北武漢430205）

分體式換熱器是空調(diào)設(shè)備中的核心部件，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，其中切片、螺絲鎖付組裝和折彎成形是三個(gè)關(guān)鍵的工序節(jié)點(diǎn)。根據(jù)其工藝特點(diǎn)，在六自由度機(jī)器人和多個(gè)功能專機(jī)的配合下，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)工序的自動(dòng)化改造，并提出了以一個(gè)三菱Q系列PLC為主站，兩個(gè)三菱FX3U C系列PLC為從站的新型控制系統(tǒng)，以及主站、從站和機(jī)器人控制器之間的通訊方式和控制程序。

分體式換熱器；自動(dòng)化工藝；控制系統(tǒng)；PLC；工業(yè)機(jī)器人

分體式換熱器是空調(diào)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)熱量交換功能的核心部件，具有需求量大、結(jié)構(gòu)多樣、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、產(chǎn)品品質(zhì)要求高等特點(diǎn)，因此該產(chǎn)品的快速規(guī)?；a(chǎn)一直是行業(yè)內(nèi)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。切片、螺絲鎖付和折彎成形是生產(chǎn)工序中必不可少的三個(gè)重要中間節(jié)點(diǎn)，同時(shí)這三個(gè)節(jié)點(diǎn)是串聯(lián)型的工藝順序[1]。平板型的來(lái)料工件經(jīng)過(guò)這三個(gè)工序后，成品件結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)切部在由切刀割斷后，與平臺(tái)部脫離，然后實(shí)切部與平臺(tái)部之間由各自的左邊板和右邊板對(duì)應(yīng)組裝，并用螺絲擰緊裝配，虛切部則由外力折彎，與平臺(tái)部成一定角度最終成形。在目前的生產(chǎn)過(guò)程中，這三個(gè)工序大多仍是依托簡(jiǎn)單的夾具，由5~6人緊密配合來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。由于生產(chǎn)節(jié)奏快，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，在長(zhǎng)期的連續(xù)生產(chǎn)中，人員的疲勞導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率存在不穩(wěn)定，并面臨用工的短缺[2]。

圖1 分體式換熱器片管件成品

針對(duì)這三個(gè)工序的具體工藝要求，研發(fā)了分體式換熱器片管件自動(dòng)化切片組裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)工序的自動(dòng)化生產(chǎn)。該設(shè)備由上料線、工業(yè)機(jī)器人、雙工位切片工作臺(tái)、螺絲自動(dòng)鎖付機(jī)、下料線五大部分組成。針對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了主從式的控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)要求。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

分體式換熱器自動(dòng)切片組裝設(shè)備由上料線、A工位機(jī)器人、B工位機(jī)器人、雙工位切片工作臺(tái)、1號(hào)螺絲機(jī)、2號(hào)螺絲機(jī)和下料線組成，見(jiàn)圖2.

圖2 分體式換熱器自動(dòng)切片組裝設(shè)備結(jié)構(gòu)

上料線的作用是將間歇性上料的片管件來(lái)料，依次定位準(zhǔn)確的送至兩個(gè)機(jī)器人各自的取料位置；兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的作用是在時(shí)間序列上相互錯(cuò)開(kāi)，交替從上料線上抓取片管件，同時(shí)配合工作臺(tái)和螺絲機(jī)完成自動(dòng)化切片和打螺絲，并將分體式換熱器片管件成品送至下料線；雙工位切片工作臺(tái)的作用是將翅片完全定位以及固定，并完成翅片的自動(dòng)切片，同時(shí)在機(jī)器人的配合下，完成翅片的折彎成形；兩臺(tái)螺絲機(jī)的作用是在翅片邊板對(duì)孔后，自動(dòng)將翅片左右兩邊的螺絲打入并擰緊，并在兩個(gè)工位間來(lái)回移動(dòng)切換；下料線的作用是與后續(xù)人工焊接線對(duì)接，將裝配完成的分體式換熱器片管件成品有序的輸送至人工焊接工位。

2 設(shè)備的生產(chǎn)工藝流程

設(shè)備操作人員將片管件來(lái)料安放在上料線上，間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)的上料線將片管件輸送至機(jī)器人取片工位，然后機(jī)器人在對(duì)應(yīng)的位置取走片管件，并移動(dòng)至雙工位切片工作臺(tái)上的對(duì)應(yīng)工位，切片工作臺(tái)對(duì)片管件進(jìn)行精確定位并固定，然后自動(dòng)化切片。機(jī)器人將切割后的片管件實(shí)切部與仍固定在工作臺(tái)上的片管件部分進(jìn)行裝配，將左、右邊板按要求裝配到位，并對(duì)孔準(zhǔn)確。隨后兩臺(tái)螺絲機(jī)分別移動(dòng)至片管件兩側(cè)，將螺釘自動(dòng)打入已對(duì)好孔的邊板上，完成片管件的組裝。切片工作臺(tái)松開(kāi)片管件后，仍抓緊片管件的機(jī)器人配合工作臺(tái)上的頂升折彎?rùn)C(jī)構(gòu)[3]，實(shí)現(xiàn)片管件的折彎成形。機(jī)器人再將組裝好的片管件成品放至下料線對(duì)應(yīng)位置上，輸送至下一工序的手工焊接線。

為提高生產(chǎn)效率，兩個(gè)工位的機(jī)器人依據(jù)設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍交替在上料線各自的對(duì)應(yīng)位置抓取翅片。兩臺(tái)螺絲機(jī)也將在工作臺(tái)的兩個(gè)切片工位上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行螺絲鎖付。上料線與下料線的間歇性運(yùn)動(dòng)將與兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作相配合，保證片管件的及時(shí)供料以及下料流轉(zhuǎn)。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合上述生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)備的主控站由一臺(tái)三菱的Q系列PLC構(gòu)成，對(duì)所有的工藝動(dòng)作進(jìn)行控制。Q系列PLC是三菱公司從原有的A系列PLC的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)的大中型PLC系列產(chǎn)品。Q系列PLC采用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)品組成與規(guī)模靈活多變，最大輸入及輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)4 096點(diǎn)，最大程序存儲(chǔ)容量可達(dá)252 K步，基本指令的處理速度可達(dá)34 ns，其基本組成包括電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等，通過(guò)擴(kuò)展各種特殊功能模塊可以很方便地提高PLC的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[4]。

整個(gè)控制系統(tǒng)中，兩臺(tái)現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人HH050各自帶有一個(gè)控制柜，控制著機(jī)器人的軌跡插補(bǔ)、啟停等基本運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與主控站PLC進(jìn)行信號(hào)交互。上料線與下料線的異步電機(jī)啟停均由主控PLC給出信號(hào)，同時(shí)線體上的片管件感應(yīng)傳感器也均將信號(hào)發(fā)送至主控PLC.雙工位切片工作臺(tái)上的切片電機(jī)、氣缸以及相關(guān)傳感器也均由主控PLC進(jìn)行控制。螺絲機(jī)的控制動(dòng)作包括三軸的移動(dòng)以及螺絲機(jī)的水平輸送和鎖付，控制點(diǎn)較多，同時(shí)相關(guān)動(dòng)作的實(shí)時(shí)性配合要求高，因此每臺(tái)螺絲機(jī)均設(shè)置了單獨(dú)的一個(gè)三菱FX3UC系列PLC控制器，用于螺絲機(jī)相關(guān)動(dòng)作的內(nèi)部控制，并與主控站的PLC進(jìn)行信號(hào)交互。此外，設(shè)備上的觸摸屏以及液晶顯示屏等外設(shè)也與主控站PLC進(jìn)行交互。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，箭頭表示信號(hào)流的方向。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了“一主二從”的PLC控制器工作模式，同時(shí)兩臺(tái)現(xiàn)代機(jī)器人的控制器也相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的從動(dòng)工作站，因此各個(gè)控制器間的通訊對(duì)于設(shè)備功能的正常實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。尤其是設(shè)備的工藝動(dòng)作多，相互的配合是嚴(yán)格的邏輯順序關(guān)系，因此通信可靠性的要求也高。由于控制系統(tǒng)的主控站選擇的是三菱Q系列PLC，其具備多樣的通訊方式可供選擇，包括I/O通信、以太網(wǎng)通信以及CAN總線通信等。I/O通信的方式對(duì)于控制系統(tǒng)的搭建簡(jiǎn)潔直觀，不需要增加專用的通訊模塊，并且可以依托PLC強(qiáng)大的軟件功能進(jìn)行有效的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，因此是工業(yè)控制系統(tǒng)中一種經(jīng)濟(jì)有效的通信模式。同時(shí)，由于螺絲機(jī)從站PLC和機(jī)器人控制器分別可以內(nèi)部控制完成螺絲機(jī)和機(jī)器人的大部分工藝動(dòng)作，與主控站間的交互信息數(shù)量有限，因此借助Q系列PLC較多的I/O點(diǎn)數(shù)以及豐富的軟元件，可以有效快速的進(jìn)行控制系統(tǒng)間的通信連接，并且抗干擾能力強(qiáng)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線的工藝動(dòng)作要求以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可將控制系統(tǒng)的軟件分為主程序、螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序、狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序以及手工調(diào)試程序五部分。

主程序直接控制上料線、雙工位切片工作臺(tái)、下料線上的各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和氣缸的動(dòng)作，以及接收所有檢測(cè)傳感器的信號(hào)，同時(shí)與螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序進(jìn)行控制信號(hào)交互，并接收觸摸屏中的生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置信號(hào)。螺絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序?qū)懭霃目卣綪LC中，控制螺絲機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)功能，包括控制驅(qū)動(dòng)螺絲機(jī)三維空間內(nèi)移動(dòng)的三個(gè)電缸，螺絲的自動(dòng)供料動(dòng)作，以及螺絲的鎖緊動(dòng)作等，并通過(guò)I/O通信方式接收主控PLC傳送過(guò)來(lái)的鎖定位置以及開(kāi)始鎖釘?shù)刃盘?hào)，控制螺絲機(jī)各個(gè)功能部件的啟停，并在設(shè)定的位置反饋螺絲機(jī)的狀態(tài)信號(hào)如螺絲批嘴位置、鎖付就緒等進(jìn)入主程序。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序則封裝在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器中，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡以及運(yùn)動(dòng)速度等[5]，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡是根據(jù)設(shè)備工藝動(dòng)作由分段式的運(yùn)動(dòng)組成的，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序也通過(guò)I/O通信的方式與主控程序進(jìn)行信號(hào)交互，接收主控程序的啟停信號(hào)，同時(shí)反饋機(jī)器人的位置狀態(tài)信號(hào)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序則根據(jù)主控程序中采集的傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)在顯示屏上顯現(xiàn)設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)以及一些生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。手工調(diào)試程序則是用于設(shè)備調(diào)試以及檢修時(shí)的控制程序，可以對(duì)關(guān)鍵的各個(gè)驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行單獨(dú)控制，并接收傳感器信號(hào)用于觀察。

4.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

為方便工人的操作以及設(shè)備維護(hù)人員的調(diào)試，使用三菱GT2710-STBD觸摸屏作為人機(jī)操作界面，用于顯示整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息，以及設(shè)備的手動(dòng)或自動(dòng)控制功能。

觸摸屏的主控界面包含了程序選擇功能、設(shè)備啟停功能、機(jī)器人復(fù)位控制功能、生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置功能、生產(chǎn)線狀態(tài)顯示功能等。通過(guò)主控界面，可以控制設(shè)備的各個(gè)主要功能，如圖4所示。

圖4 觸摸屏主控界面

通過(guò)觸摸屏主控界面，操作人員還可以進(jìn)行多樣的設(shè)備操作，調(diào)用不同的控制程序，手動(dòng)控制各個(gè)工藝動(dòng)作等，如圖5所示。

圖5 手動(dòng)操作界面實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)分體式換熱器片管件自動(dòng)化切片組裝設(shè)備的獨(dú)特生產(chǎn)工藝，在充分考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“一主二從”式的控制系統(tǒng)。目前相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備已運(yùn)行一年，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求，并且運(yùn)行穩(wěn)定，功能可靠。同時(shí)，簡(jiǎn)單易學(xué)的人機(jī)交互界面利于生產(chǎn)人員的操作，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)便，如圖6所示。該設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的員工數(shù)量，有效緩解了目前生產(chǎn)企業(yè)所面臨的“招工難”問(wèn)題，節(jié)省了成本。

圖6 分體式空調(diào)換熱器自動(dòng)切片組裝設(shè)備

[1]熊立貴.空調(diào)換熱器成型機(jī)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].家電科技，2013，（10）：74-76.

[2]王薔，程冬梅.空調(diào)換熱器芯體全自動(dòng)折彎生產(chǎn)線[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015，（5）：265-267.

[3]楊家軍.機(jī)械原理[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[4]鄧辰.家用空調(diào)蒸發(fā)器U型折彎全自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2015，（33）：88-89.

[5]熊有倫，丁漢，劉恩滄.機(jī)器人學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

Control System Design of Automatic Cutting and Assembling Machine for Split Heat Exchanger

LIU Zhi-jiang，SONG Kai，WANG Nei
（No.722 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan Hubei 430205，China）

Split type heat exchanger is the core component of air conditioning equipment，the production process is complex，in which slicing, screw locking assembly and bending forming are three key process nodes. According to the characteristics of the technology，in conjunction with six degrees of freedom robot and a plane，realizes the automation process，and put forward a series of MITSUBISHI Q PLC as the master station, the two MITSUBISHI FX3UC series PLC as control system from the new station，the main station，and from between the station and the robot controller communication and control program.

split heat exchanger；automatic process；control system；PLC；industrial robot

TP273

A

1672-545X（2016）09-0106-03

2016-06-11

劉志江（1988-），男，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制；宋凱（1976-），男，甘肅慶陽(yáng)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)；王內(nèi)（1989-），男，湖北荊州人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。