基于PLC的自動(dòng)澆口剪切系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 晟， 石培蕾， 胡育佳*， 馮春花

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 楊浦 200093； 2.上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心， 上海 楊浦 200093)

近幾年我國(guó)制造業(yè)飛速發(fā)展，很多制造企業(yè)的規(guī)模擴(kuò)展得越來(lái)越大，無(wú)論是從生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率還是從產(chǎn)品質(zhì)量的角度來(lái)看，人工生產(chǎn)不再勝任這些高強(qiáng)度、有損身心健康的工作[1]。為提高工作效率，節(jié)省人力，迫切需求一種新的生產(chǎn)解決方案。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)是采用機(jī)械或電氣部件的單機(jī)自動(dòng)化或是簡(jiǎn)單的自動(dòng)生產(chǎn)線，雖然可以提高生產(chǎn)效率，但低可改造性、低穩(wěn)定性、低性價(jià)比的局限性也顯而易見(jiàn)[2]。因此柔性化生產(chǎn)線將成為未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的主流，而工業(yè)機(jī)器人則是未來(lái)柔性化生產(chǎn)的重要工具。

工業(yè)機(jī)器人是一種通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，能夠完成制造過(guò)程中某些操作任務(wù)的多功能、多自由度的機(jī)電一體化機(jī)械裝備，在許多生產(chǎn)領(lǐng)域起到不可替代的作用。PLC技術(shù)的迅猛發(fā)展，CPU處理速度更加快速，可實(shí)現(xiàn)硬件基本系統(tǒng)的局部擴(kuò)展、遠(yuǎn)程擴(kuò)展以及基本系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使PLC系統(tǒng)的控制功能和信息管理功能融為一體，從而使PLC對(duì)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的控制更加完善[3]。

汽車配件廠的注塑車間根據(jù)工作要求，注塑機(jī)發(fā)出開(kāi)模信號(hào)后，由工業(yè)機(jī)器人使用安裝有真空吸盤的專用手爪將汽車儀表盤注塑件從注塑機(jī)模腔取出，再由人工修剪澆口或夾具輔助修剪澆口，占用人工工作節(jié)拍，取件機(jī)器人卻處在閑置等待狀態(tài)利用率不高，而且車間工作環(huán)境差，人工成本不斷上漲等因素，于是提出了注塑件澆口自動(dòng)剪切裝置的方案。本課題主要解決某汽車儀表盤注塑件的拾取以及剪切澆口的控制任務(wù)，使用PLC控制器控制自動(dòng)剪切裝置和工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)注塑件的拾取及剪切澆口任務(wù)，為企業(yè)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 自動(dòng)剪切系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)剪切系統(tǒng)

自動(dòng)剪切系統(tǒng)(圖1a)的控制器是PLC，PLC控制器能對(duì)剪切模塊的動(dòng)作進(jìn)行有效控制，并能對(duì)各部的反饋信號(hào)進(jìn)行處理。PLC與繼電器通過(guò)電纜相連，可直接對(duì)繼電器發(fā)送控制信號(hào)，繼電器根據(jù)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)控制電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)剪切模塊(圖1b)和真空發(fā)生器的氣路動(dòng)作控制。注塑機(jī)的開(kāi)模信號(hào)傳遞給PLC后，PLC通過(guò)通訊線與工業(yè)機(jī)器人通信，告知工業(yè)機(jī)器人下行取件。工業(yè)機(jī)器人和剪切模塊的反饋信號(hào)通過(guò)各種限位開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)獲取傳遞給PLC，PLC獲取系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而根據(jù)控制程序驅(qū)動(dòng)剪切模塊動(dòng)作。注塑件的拾取由安裝有真空吸盤的專用手爪完成；剪切澆口由氣動(dòng)剪刀(下文簡(jiǎn)稱氣剪)完成；導(dǎo)桿氣缸(下文簡(jiǎn)稱導(dǎo)桿缸)使氣剪隨導(dǎo)軌的上下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)氣缸(下文簡(jiǎn)稱旋轉(zhuǎn)缸)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別由電磁閥控制氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)(圖2)工作，從而改變氣剪的剪切方向。各個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行元件均采用對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，在回路進(jìn)氣口安裝有氣動(dòng)三連件進(jìn)行氣源的過(guò)濾；在各個(gè)排氣孔配置消聲器消減排氣的噪音[4]。

(a) 澆口剪切系統(tǒng) (b) 剪切模塊示意圖圖1 澆口剪切系統(tǒng)

圖2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

1.2 自動(dòng)剪切裝置控制方案

根據(jù)任務(wù)要求啟動(dòng)設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)位，機(jī)器人到達(dá)初始位置等待信號(hào)準(zhǔn)備工作。當(dāng)注塑機(jī)發(fā)出開(kāi)模信號(hào)，待機(jī)中的工業(yè)機(jī)器人啟動(dòng)下行取件，當(dāng)機(jī)器人抓取注塑件成功后并移動(dòng)到氣剪，機(jī)器人通過(guò)PLC傳遞一個(gè)信號(hào)給氣剪，氣剪啟動(dòng)等待注塑件的到來(lái)。當(dāng)機(jī)器人抓取注塑件到達(dá)氣剪剪切工位，PLC發(fā)出剪切信號(hào)，氣剪開(kāi)始剪切。因?yàn)樽⑺芗系臐部谖恢檬遣灰?guī)則的，所以需要導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸配合使氣剪適應(yīng)多種工位以補(bǔ)償機(jī)器人的行程不足，旋轉(zhuǎn)缸根據(jù)注塑件澆口位置需旋轉(zhuǎn)到0°位置和90°位置，導(dǎo)桿缸有縮回和伸出兩種位置狀態(tài)。當(dāng)剪切作業(yè)完成后，PLC發(fā)出信號(hào)給機(jī)器人，如果有開(kāi)模信號(hào)則繼續(xù)執(zhí)行上述作業(yè)；若沒(méi)有開(kāi)模信號(hào)，則機(jī)器人等待。

2 自動(dòng)剪切裝置控制的實(shí)施

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)剪切裝置動(dòng)作的流程，根據(jù)西門子PLC系統(tǒng)手冊(cè)可知[5]，系統(tǒng)共需要10個(gè)輸入點(diǎn)，9個(gè)輸出點(diǎn)。因此，選擇西門子S7-200 CPU226N型PLC，其系統(tǒng)I/O分配如表1、表2所示。

當(dāng)系統(tǒng)要運(yùn)行開(kāi)始工作時(shí)，需要一啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，占用一個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)復(fù)位機(jī)器人到達(dá)初始位置等待信號(hào)準(zhǔn)備工作，占用一個(gè)輸入點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人抓取注塑件成功后并移動(dòng)到氣剪，機(jī)器人通過(guò)PLC發(fā)出一個(gè)信號(hào)給氣剪，氣剪啟動(dòng)等待注塑件的到來(lái)，氣剪啟動(dòng)占用一個(gè)輸入點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人抓取注塑件到達(dá)氣剪剪切工位，PLC發(fā)出剪切信號(hào)，氣剪開(kāi)始準(zhǔn)備剪切，控制剪切準(zhǔn)備占用一個(gè)輸入點(diǎn)。收到機(jī)器人信號(hào)后，旋轉(zhuǎn)缸動(dòng)作，占用一個(gè)輸入點(diǎn)。因?yàn)樽⑺芗系臐部谖恢檬遣灰?guī)則的，所以需要導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸配合使氣剪適應(yīng)多種工位以補(bǔ)償機(jī)器人的行程不足，導(dǎo)桿缸的伸、縮各占用一個(gè)輸入點(diǎn)，共兩個(gè)輸入點(diǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)缸根據(jù)注塑件澆口位置需旋轉(zhuǎn)到0°位置和90°位置，各占用一個(gè)輸入點(diǎn)，共兩個(gè)輸入點(diǎn)。當(dāng)剪切作業(yè)完成后，PLC發(fā)出信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人返回完成信號(hào)占用一個(gè)輸入點(diǎn)。輸入點(diǎn)數(shù)共10個(gè)，詳細(xì)輸入接點(diǎn)分配見(jiàn)表1。

表1 PLC輸入接點(diǎn)分配表

輸出接口點(diǎn)內(nèi)容見(jiàn)表2。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，有一啟動(dòng)燈用于示意，占用一個(gè)輸出端。當(dāng)機(jī)器人抓件成功后，PLC給一個(gè)信號(hào)給氣剪控制氣剪啟動(dòng)，占用一個(gè)輸出端口。當(dāng)氣剪配合剪切澆口時(shí)，PLC控制導(dǎo)桿缸的伸出或者縮回后，然后通過(guò)PLC給機(jī)器人一個(gè)信號(hào)，機(jī)器人把工件移至剪切位置，導(dǎo)桿缸的伸出、縮回需要占用兩個(gè)輸出端口。同樣旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)到0°位置或90°位置后，然后PLC給機(jī)器人一個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)，機(jī)器人把工件移動(dòng)至剪切位置，旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)至0°位置或90°位置需占用兩個(gè)輸出端口。當(dāng)機(jī)器人行程不足，導(dǎo)桿缸或者旋轉(zhuǎn)缸的單獨(dú)工作是不能成功剪掉澆口的，所以需要導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸0°位置或者導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸90°位置，氣剪到達(dá)導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸0°位置或者導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸90°位置時(shí)，PLC給機(jī)器人一個(gè)信號(hào)，機(jī)器人移動(dòng)工件至剪切位置，導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸0°位置或者導(dǎo)桿缸伸出、旋轉(zhuǎn)缸90°位置需占用兩個(gè)輸出端口。在工廠生產(chǎn)安全是非常重要的，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要報(bào)警指示燈來(lái)提醒操作人員，報(bào)警燈占用一個(gè)輸出端口[5]。輸出點(diǎn)數(shù)一共9個(gè)。

表2 PLC輸出接點(diǎn)分配表

根據(jù)I/O分配表可得到PLC系統(tǒng)外部接線原理圖如圖3所示。

圖3 PLC的I/O接線圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，控制程序設(shè)計(jì)方式要簡(jiǎn)單有效，以縮短設(shè)計(jì)周期，更要便于操作和設(shè)備的維護(hù)[6-7]。當(dāng)設(shè)備執(zhí)行完一整套工件取放的動(dòng)作以后，設(shè)備(工業(yè)機(jī)器人、導(dǎo)桿缸、旋轉(zhuǎn)缸、氣剪)必需回到取件前的初始位置以準(zhǔn)備下一次作業(yè)。所以首先編寫系統(tǒng)復(fù)位梯形圖部分。其次編寫適用不同澆口剪切位置所需要配合的導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸動(dòng)作的梯形圖。最后編寫氣剪的啟動(dòng)以及反饋給機(jī)器人信號(hào)的梯形圖。

初始時(shí)，設(shè)備處于任意狀態(tài)。按下復(fù)位開(kāi)關(guān)按鈕I0.1，M0.0上電，旋轉(zhuǎn)缸復(fù)位回到0°位Q0.3，導(dǎo)桿缸復(fù)位縮回Q0.2，按下啟動(dòng)按鈕I0.0，M0.0上電自鎖，啟動(dòng)燈Q0.7(綠)亮，報(bào)警燈Q1.0(綠)亮。當(dāng)機(jī)器人得到注塑機(jī)開(kāi)模信號(hào)，機(jī)器人下行取件，取件成功后，機(jī)器人反饋一個(gè)剪切準(zhǔn)備信號(hào)I0.3給控制器，剪切裝置開(kāi)始根據(jù)澆口位置運(yùn)作。當(dāng)機(jī)器人行程足夠，導(dǎo)桿缸縮回I0.6，旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)到0°位I0.7，輸出為導(dǎo)桿缸縮回Q0.2，梯形程序圖如圖4所示。氣剪不能剪到某一注塑件內(nèi)部深處澆口，需導(dǎo)桿缸和旋轉(zhuǎn)缸同時(shí)動(dòng)作，機(jī)器人反饋一個(gè)旋轉(zhuǎn)缸動(dòng)作信號(hào)I0.4，導(dǎo)桿缸伸出到位I0.5，輸出為旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)到90°位Q0.4，梯形程序圖如圖5所示。當(dāng)氣剪需要剪到注塑件內(nèi)部深處澆口，需導(dǎo)桿缸伸出彌補(bǔ)機(jī)器人行程不足，機(jī)器人反饋一個(gè)旋轉(zhuǎn)缸動(dòng)作信號(hào)I0.4，導(dǎo)桿缸伸出I0.5，輸出為旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)到0°位Q0.3，梯形程序圖如圖6所示。

圖4 導(dǎo)桿缸收縮，旋轉(zhuǎn)缸0°位梯形圖

圖5 導(dǎo)桿缸伸出，旋轉(zhuǎn)缸90°位梯形圖 圖6 導(dǎo)桿缸伸出，旋轉(zhuǎn)缸0°位梯形圖

最后當(dāng)機(jī)器人抓取注塑件到達(dá)設(shè)置好的工位，機(jī)器人通過(guò)PLC發(fā)出一個(gè)氣剪啟動(dòng)信號(hào)I0.2，氣剪啟動(dòng)Q0.0，同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，0.5 s后接通，氣剪啟動(dòng)剪切澆口。剪切完成后，機(jī)器人反饋完成信號(hào)I1.1，繼電器置位，系統(tǒng)再次復(fù)位，循環(huán)作業(yè)。

通過(guò)上述程序的編寫和調(diào)試，并根據(jù)機(jī)器人工作特點(diǎn)和實(shí)際需要設(shè)計(jì)三種常用工作模式，經(jīng)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行測(cè)試，證明了該澆口剪切裝置能夠滿足任務(wù)需求。本文主要解決使用機(jī)器人代替人的工作，利用前沿的虛擬仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)環(huán)境下設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、效果分析，也可以在前期驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性[8]，并對(duì)系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)與制造過(guò)程在開(kāi)始生產(chǎn)之前即可確保獲得最高的作業(yè)效率，避免在生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)資源。

3 結(jié) 語(yǔ)

使用PLC作為自動(dòng)控制的核心部件，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人，使得以前勞動(dòng)強(qiáng)度大，且會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害的工作不再由人工完成。使用自動(dòng)化剪切設(shè)備，不僅可以解放生產(chǎn)力，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)可以大大節(jié)約人工成本，并且能夠提高生產(chǎn)效率。在以技術(shù)進(jìn)步為先導(dǎo)的當(dāng)今社會(huì)，引入以PLC為控制器的自動(dòng)化系統(tǒng)可以，提高效率、節(jié)能降耗、節(jié)省人力成本、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，將更加廣泛地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中。