基于PLC的光纖件帶帽自動(dòng)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代璐蔚，石 軍，洪 標(biāo)，宋 霞，徐艷如，孫開成

(重慶理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院; b.機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以變頻器調(diào)速、計(jì)算機(jī)通信和可編程序控制器為主體的新型電氣控制系統(tǒng)在工業(yè)控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的繼電器硬件控制系統(tǒng)。

常規(guī)的人工手動(dòng)帶帽效率低，產(chǎn)品合格率和一致性不高，并且勞動(dòng)成本高。如果采用光纖件帶帽自動(dòng)線系統(tǒng)，一方面可以解決產(chǎn)能波動(dòng)的問題，另一方面可以減少對工人的依賴，保證產(chǎn)品的一致性，可極大地提升經(jīng)濟(jì)效益。以PLC為基礎(chǔ)組成的光纖件帶帽自動(dòng)線制動(dòng)化程度高，控制系統(tǒng)簡潔，可極大地提高生產(chǎn)效率。

本文主要研究基于PLC的光纖件帶帽自動(dòng)線控制方案及程序的設(shè)計(jì)，包含光纖底座取料單元、光纖底座送料單元、光纖帽取送料單元、焊接件取料單元4個(gè)獨(dú)立的控制單元。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)線平臺(tái)的組成

設(shè)計(jì)的自動(dòng)線包含4個(gè)單元：光纖底座取料單元、光纖底座送料單元、光纖帽取送料單元、焊接件取料單元。由于光纖底座在盛具中的特殊位置且在自動(dòng)取料和送料過程中需要完成翻轉(zhuǎn)等復(fù)雜動(dòng)作，因此將光纖底座的取、送料分作獨(dú)立的2個(gè)單元，每一個(gè)單元都是一個(gè)獨(dú)立的機(jī)電一體化系統(tǒng)。通過PLC自動(dòng)控制各部分順序動(dòng)作實(shí)現(xiàn)光纖件的整個(gè)帶帽過程。各單元中采用了機(jī)械手裝置，機(jī)械手的夾緊和放松采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，送料采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿通過導(dǎo)軌和滑臺(tái)完成。焊接件取料單元采用真空吸盤為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)仍以步進(jìn)電機(jī)為主[1]。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)多定位點(diǎn)、長行程控制。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，使整個(gè)自動(dòng)線能快速、精確地運(yùn)行。

在檢測方面，自動(dòng)線平臺(tái)采用了多種傳感器，主要用于檢測各個(gè)工位的零件是否到位、機(jī)械手是否夾緊。只有檢測到零件的顏色、材質(zhì)等信息才會(huì)發(fā)出信號給PLC，從而使PLC順序執(zhí)行程序。

1.2 各單元的功能

各個(gè)單元的自動(dòng)生產(chǎn)線平臺(tái)的工作基本功能如下：

1) 光纖帽取、送料單元：該單元將放在特定物料盛具中的光纖帽原件抓出，然后運(yùn)送到焊接工位上方，準(zhǔn)確定位后，送入焊接工位夾具中。

2) 光纖底座取料單元：該單元是將放在特定物料盛具中的光纖底座原件抓出，然后運(yùn)送到光纖底座送料夾具上方，準(zhǔn)確定位后，送入光纖底座送料夾具中。

3) 光纖底座送料單元：該單元是接收來自光纖底座取料單元的原件，夾緊后將工件翻轉(zhuǎn)，同時(shí)將光纖底座原件送到焊接工位上方，準(zhǔn)確定位后將光纖底座送入焊接工位夾具中的光纖帽上完成焊接和裝配。

4) 焊接件取料單元：將焊接完成的焊接件從焊接工位上抓取出來，按順序擺放在特定的物料盛具中。

2 各單元系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

光纖底座、光纖帽和焊接件均盛放在規(guī)格相同的方形物料盛具中，物料盤每個(gè)孔的中心距為10 mm，總共10行10列100個(gè)零件。為了便于循環(huán)程序的設(shè)計(jì)，取料和放料均需要按一定的順序。由于光纖底座取料單元、光纖帽取送料單元和焊接件取料單元所使用的物料盛具規(guī)格相同，僅有孔的深度和是否有臺(tái)階的微小區(qū)別，所以這3個(gè)控制單元完成取料或者送料采用同一個(gè)動(dòng)作循環(huán)過程。

機(jī)械手先從第1行抓取第1個(gè)零件，送料完成之后X軸方向并不直接回到原點(diǎn)，而是回到原點(diǎn)沿X軸正方向偏移10 mm(即第1行的第2個(gè)零件)的正上方。依次執(zhí)行，直到第1行的零件抓取完之后，X軸回到原點(diǎn)位置，同時(shí)Y軸向Y軸正方向移動(dòng)10 mm(即第2行第1個(gè)零件的位置)。物料原點(diǎn)距光纖底座的中心距設(shè)定為200 mm。取料動(dòng)作循環(huán)情況如圖1所示。

圖1 取料動(dòng)作循環(huán)

2.1 光纖底座取料單元設(shè)計(jì)

如圖2所示，光纖底座是微型原件，質(zhì)量輕、體積小，是一種盤型帶針腳的光電元器件，在料盤中頂面朝上盛放。光纖底座在送往焊機(jī)與光纖帽裝配的過程中需要完成翻轉(zhuǎn)使其能與光纖帽配合。光纖底座取料單元需完成X、Y方向的零件掃描動(dòng)作以及Z方向的上下取料和送料至送料夾具的動(dòng)作，所以需要3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。其中X、Y軸采用步進(jìn)電機(jī)，Z軸采用氣壓缸。另外，機(jī)械手的夾緊和放松由1個(gè)小型氣壓缸控制，傳感器檢測物料盤中剩余的物料，采用1個(gè)微型反射式光電傳感器，安裝在物料盤最后1行的第1個(gè)零件側(cè)面。當(dāng)這個(gè)零件被機(jī)械手抓取后，傳感器常閉變?yōu)槌ｉ_，下降沿啟動(dòng)黃燈亮，警示工作人員物料即將送完。在光纖底座送料單元的夾具中安裝有1個(gè)微動(dòng)開關(guān)，假如光纖底座取料機(jī)械手在取料或者送料到光纖底座送料單元夾具的過程中光纖底座掉落，則無法使微動(dòng)開關(guān)得電，不會(huì)啟動(dòng)光纖底座送料單元的運(yùn)行。此時(shí)需要工作人員將程序停止，手動(dòng)調(diào)零后重新上電啟動(dòng)自動(dòng)線[2-3]。

2.2 光纖底座送料單元設(shè)計(jì)

光纖底座的送料過程要完成夾緊、翻轉(zhuǎn)、定位、送料到位4個(gè)動(dòng)作。

在送料夾具內(nèi)部安裝有1個(gè)微動(dòng)開關(guān)，用于檢測光纖底座原件是否已送到位，一旦到位，傳感器發(fā)送信號到PLC，啟動(dòng)程序夾緊零件并順序執(zhí)行。光纖底座送料機(jī)械手的夾緊和松開動(dòng)作仍然選用氣壓缸，X、Y平面的定位由一個(gè)繞Z軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成，即平行于Y軸安裝，順時(shí)針旋轉(zhuǎn),90°后到達(dá)焊接工位的正上方，由步進(jìn)電機(jī)控制。送料到位由Z軸的上下移動(dòng)完成，翻轉(zhuǎn)動(dòng)作也由步進(jìn)電機(jī)直接控制。焊接工位安裝有檢測光纖帽的光電傳感器，只有當(dāng)光纖帽到位時(shí)Z軸才會(huì)旋轉(zhuǎn)90°送料到焊接工位，否則夾緊翻轉(zhuǎn)180°后等待。因此，光纖底座送料單元由2個(gè)氣壓缸和2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和2個(gè)傳感器的檢測[4]。為了匹配步進(jìn)電機(jī)的速度和方向，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建時(shí)可能用到減速器。

2.3 光纖帽取送料單元設(shè)計(jì)

光纖帽也是微型光電元器件，見圖3。在光纖帽的底部膠粘了一塊透鏡，易碎，觸碰會(huì)影響聚焦精度。光纖帽的開口端有外翻邊，是與光纖底座臺(tái)階圓面配合的面。

圖3 光纖帽示意圖

由于沒有反轉(zhuǎn)動(dòng)作，光纖帽的取料和送料集成在同一個(gè)單元，其運(yùn)動(dòng)軌跡和光纖底座取料過程基本一致，由步進(jìn)電機(jī)控制X、Y兩軸的直線運(yùn)動(dòng)來完成光纖帽的順序抓取和送料，不同的是光纖底座送料單元是將光纖底座送到光纖底座送料夾具的正上方，而光纖帽取送料單元是將光纖帽直接送到焊接工位。光纖底座取料單元與光纖帽取送料單元的節(jié)拍基本一致，因此這2個(gè)獨(dú)立的控制單元通過1個(gè)雙聯(lián)開關(guān)同時(shí)啟動(dòng)。此單元中機(jī)械手的夾緊和放松仍由氣壓缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，Z軸的上下運(yùn)動(dòng)也由氣壓缸控制。同樣，在送料過程中，焊接工位用一個(gè)光電傳感器檢測是否有工件(檢測光纖帽)，在沒有工件的情況下光纖帽取料機(jī)械手才抓取下一個(gè)零件到焊接工位。

2.4 焊接件取料單元設(shè)計(jì)

光纖帽和光纖底座在焊接工位上焊接完成后稱為焊接件，見圖4。

焊接件取料單元的功能是將焊接工位中成品焊接件抓取出來并按一定的順序擺放整齊，相當(dāng)于光纖帽取送料的逆過程，不同的是光纖帽取送料單元的啟動(dòng)和光纖底座送料單元由傳感器開關(guān)信號輸入控制，在沒得到信號時(shí)，取料裝置在安全區(qū)域待命。當(dāng)光纖底座和光纖帽送料到位時(shí)，光電傳感器檢測到信號后啟動(dòng)焊機(jī)氣壓缸向下運(yùn)動(dòng)，焊接完成后用氣壓缸回程觸碰到行程開關(guān)的下降沿啟動(dòng)后面的順序動(dòng)作[5]。另一方面，考慮到焊接件的質(zhì)量和形狀以及需要避免接觸磁源等特性，取料裝置采用真空吸盤，由一個(gè)電磁閥控制氣體的發(fā)生和關(guān)閉。

圖4 焊接件3維示意圖

2.5 自動(dòng)線系統(tǒng)工作原理

如圖5所示，光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元由一個(gè)雙聯(lián)開關(guān)控制同時(shí)啟動(dòng)。光纖帽完成抓取、送料、送料到焊接工位等幾個(gè)動(dòng)作。與此同時(shí)，光纖底座取料單元完成了抓取、送料、送料到光纖底座送料夾具。光纖底座送料夾具單元的微動(dòng)開關(guān)和焊接工位的光纖帽檢測傳感器均有信號給出，啟動(dòng)光纖底座送料單元完成夾緊、翻轉(zhuǎn)180°、旋轉(zhuǎn)90°、送料到焊接工位的光纖帽上幾個(gè)動(dòng)作。與此同時(shí)，光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元處于返回原點(diǎn)抓取下一個(gè)零件的過程中。光纖底座送料到位后，傳感器檢測到位信號，延時(shí)啟動(dòng)焊接件取料單元使焊機(jī)氣缸得電，啟動(dòng)焊接工件。焊接完成后氣缸回程到位時(shí)行程開關(guān)下降沿，使焊接件取料單元PLC繼續(xù)執(zhí)行取料、送料、送料至物料盤的動(dòng)作[6-7]。4個(gè)單元分別由1臺(tái)PLC控制，PLC之間的信息傳遞靠硬接線完成。

2.6 單元設(shè)計(jì)選型

主要選型如下：

1) 可編程邏輯控制器：艾默生EC10-1614BRA。

2) 線性模組：KM26標(biāo)準(zhǔn)型。

3) 步進(jìn)電機(jī)：103H5210-0480型兩相四線步進(jìn)電機(jī)。

4) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：US1D200P10，驅(qū)動(dòng)電壓為DC24 V。

5) 微型手指氣抓：MCHB-16型手指氣缸。

6) 雙導(dǎo)桿氣壓缸：MCGA-03-20-30- BSP，有效行程為30 mm。

7) 電磁閥： ZBS-15-K-1440-16-P4- G1/4-W1-NBR。

8) 24 V DC電源選型：LM30-00J0512- 03E金屬罩式開關(guān)電源。

9) 壓力傳感器：HM91-H1-1-V2-F1- W1，DC24 V供電，綜合精度為±0.4%FS。

圖5 系統(tǒng)控制過程

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 光纖底座取料單元

1) 流程

光纖底座取料單元的控制流程如圖6所示。

2) 輸入/輸出原件及控制功能

如表1所示，介紹了單元設(shè)計(jì)中用到的輸入/輸出原件及控制功能。

3) 接線圖

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，每個(gè)單元都含有步進(jìn)電機(jī)的控制和氣壓缸的控制。由于零件的質(zhì)量很小，氣壓缸的選型都是微型或者小型的單作用氣缸。

設(shè)計(jì)中均采用圖7所示的二位三通電磁閥控制的換向回路。在梯形圖的編制過程中通過電磁閥的得電和失電來控制氣壓缸的伸縮[8]。

圖6 光纖底座取料單元流程

表1 輸入/輸出元件及控制功能

續(xù)表(表1)

圖7 光纖底座取料單元接線圖

步進(jìn)電機(jī)的控制則相對復(fù)雜一些。在艾默生EC10-1614BRA晶體管輸出型模塊中包含2個(gè)高速脈沖輸出端口Y0和Y1，可以實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。在梯形圖編程中運(yùn)用特殊寄存器SM80(Y0使能脈沖)、SM81(Y1使能脈沖)、SM262(Y0脈沖輸出監(jiān)控)、SM272(Y1脈沖輸出監(jiān)控)設(shè)置中間繼電器，從而控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的輸出和下一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行[8～10]。步進(jìn)電機(jī)各工步輸出脈沖和移動(dòng)距離的計(jì)算如下：

1) 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)計(jì)算為

式中:P0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的脈沖數(shù)；θ為步進(jìn)電機(jī)的步距角。選型電機(jī)步距角為θ=1.8°，則

2) 步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量計(jì)算為

式中：σ為步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量；P為滾珠絲桿螺距，為5 mm；P0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的脈沖數(shù)為200。

3) 細(xì)分脈沖當(dāng)量(精度)的計(jì)算為

式中：σx為細(xì)分脈沖當(dāng)量；σ為步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量，為0.04 mm；x為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)，取為2。則

在光纖底座取料單元中，因?yàn)楣饫w底座取料機(jī)械手零點(diǎn)(物料盤第1個(gè)零件所在孔的軸心)與光纖底座送料夾具之間的距離為200 mm，所以X軸步進(jìn)電機(jī)將第1個(gè)光纖底座送料到光纖底座取料夾具正上方時(shí)所發(fā)出的脈沖為16 000個(gè)，但是由于光纖底座送料夾具的位置固定，因此步進(jìn)電機(jī)向X軸正向運(yùn)動(dòng)用微動(dòng)開關(guān)控制而不是脈沖個(gè)數(shù)控制。

3.2 光纖底座送料單元控制原理

光纖底座送料單元也是對步進(jìn)電機(jī)和氣壓缸的動(dòng)作控制。由于沒有循環(huán)取料的動(dòng)作，所以與光纖底座取料單元的控制過程相比更加簡單[11-12]，只需要按各執(zhí)行機(jī)構(gòu)順序逐步動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。光纖底座送料單元的啟動(dòng)不是靠外接按鈕，而是按以下循環(huán)工作：光纖底座取料單元送來的光纖底座原件觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)得電—夾緊氣缸動(dòng)作夾緊工件—工件翻轉(zhuǎn)180°—當(dāng)光電傳感器檢測到焊接工位沒有零件—工件旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)焊接工位正上方—送料到位—退回原點(diǎn)等待下一次微動(dòng)開關(guān)觸發(fā)。步進(jìn)電機(jī)的控制輸出脈沖最多為電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，需要400個(gè)脈沖，遠(yuǎn)小于光纖底座取料單元用時(shí)。

3.3 光纖帽取送料單元設(shè)計(jì)控制流程設(shè)計(jì)

光纖帽取送料單元的控制相對復(fù)雜，當(dāng)光電傳感器檢測到光纖底座送料到位時(shí)，延時(shí)啟動(dòng)焊接工位氣缸動(dòng)作進(jìn)行焊接，焊機(jī)氣缸由PLC控制。

光纖帽取送料單元中，光纖帽在物料盤中的盛放狀態(tài)一樣，也需要X、Y兩個(gè)方向?qū)α慵ト∵M(jìn)行掃描，并且由于節(jié)拍一致，光纖帽取送料單元不用加物料不足檢測傳感器[13]。其控制過程與光纖底座取料單元基本一致，只是由于安裝位置不同使步進(jìn)電機(jī)編程時(shí)輸出的脈沖數(shù)不同而已。另外，光纖帽取、送料單元的啟動(dòng)與光纖底座取料單元共用1個(gè)雙聯(lián)開關(guān)SB1,需要同時(shí)啟動(dòng)。第1個(gè)零件送料完之后回到第2個(gè)零件正上方，此時(shí)，為了避免焊接好的零件還未取出焊接工位就送料而發(fā)生干涉，因此用焊接工位的光電傳感器的下降沿來啟動(dòng)第2個(gè)及以后的零件送料[14]。

3.4 焊接件取料單元控制原理

與光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元一樣，焊接件取料單元編程的難點(diǎn)也在于物料盤推送的循環(huán)[15-16]。焊接件取料單元與前兩者的循環(huán)過程剛好相反，因此可以借鑒其程序進(jìn)行改進(jìn)。以光纖底座取料單元為例，它的計(jì)數(shù)是在取出第1個(gè)零件之后，必須在X軸第1次返程之前進(jìn)行計(jì)數(shù)并依次與常數(shù)1～10進(jìn)行比較，從而確定回程時(shí)X、Y軸應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)。焊接件取料單元與以上過程恰恰相反，當(dāng)?shù)?個(gè)焊接件取料完成送到物料盤行、列的首位置并且機(jī)械手離開物料盤后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，然后比較選擇X、Y軸應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)。由此程序編制難點(diǎn)問題得以解決。

光電傳感器檢測到光纖底座送料到位，行程開關(guān)SQ5得電，延時(shí)0.5 s后焊機(jī)氣缸向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接近開關(guān)SQ4得電則焊機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)到位，延時(shí)0.5 s(焊機(jī)焊接時(shí)間)后，焊機(jī)氣缸向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接近開關(guān)SQ3得電時(shí)，焊機(jī)氣缸回程到位，啟動(dòng)取料機(jī)械手沿X軸移動(dòng)到焊接工位正上方，隨后將焊接件取料并放到物料盤行、列的首位置，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)動(dòng)作。

4 結(jié)束語

該P(yáng)LC控制系統(tǒng)用于生產(chǎn)光纖元器件，一方面可以克服人工手動(dòng)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品合格率差的缺點(diǎn)；另一方面可以改善生產(chǎn)環(huán)境，提高帶帽效率，并且軟件編程算法簡單，操作方便。

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