汽車密封條在線精密裁斷機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

肖成軍，鐘小華，李 林，徐志偉，羅海龍

（1.廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州510450；2.廣州宇昊機(jī)電設(shè)備有限公司，廣州510800）

橡膠密封條作為汽車車身附屬系統(tǒng)的一部分，兼有功能性和裝飾性，被廣泛應(yīng)用于乘用車，其生產(chǎn)過程主要包括：橡膠的擠出、成型和硫化等前處理階段，以及定長裁斷的后加工階段[1-4]。橡膠密封條的定長裁斷精度將直接影響密封條的質(zhì)量，現(xiàn)在常用的裁斷機(jī)存在連續(xù)生產(chǎn)過程中密封條裁斷困難、裁切長度不準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)調(diào)試繁瑣費(fèi)時(shí)的缺陷[5]，因此有必要開展汽車密封條在線精密裁斷機(jī)控制系統(tǒng)的研究，本文在分析了裁斷機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作過程的基礎(chǔ)上，基于三菱PLC和觸摸屏設(shè)計(jì)了裁斷機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。

1 汽車密封條在線精密裁斷機(jī)概述

汽車密封條在線精密裁斷機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)料緩存區(qū)、進(jìn)料牽引機(jī)、裁斷裝置、出料輸送帶、長度設(shè)定裝置，如圖1所示。進(jìn)料緩存區(qū)布置于橡膠生產(chǎn)線與牽引機(jī)之間，利用滾輪和密封條自重下垂實(shí)現(xiàn)橡膠連續(xù)進(jìn)料的緩存，設(shè)置了高、中、低3個(gè)物料感應(yīng)傳感器，用于判斷當(dāng)前物料的充裕情況，自動(dòng)匹配生產(chǎn)線的速度。進(jìn)料牽引機(jī)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)多楔帶，形成夾持式的牽引裝置，設(shè)計(jì)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，保證進(jìn)料的平穩(wěn)與精準(zhǔn)。裁斷裝置由裁刀、裁刀進(jìn)給系統(tǒng)、物料夾緊氣缸、吸塵器、安全護(hù)罩組成，三相異步電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)裁刀，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)裁刀升降，夾緊氣缸用于保證密封條裁斷時(shí)的位置固定。出料輸送帶通過變頻器可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，在側(cè)方安裝有推料氣缸，合格品通過推料氣缸下料，不合格品在出料輸送帶尾端進(jìn)入廢品框。長度設(shè)定裝置主要包括檢測單元和直線滑臺模組，檢測單元包括3組光纖傳感器，從右至左，依次用于減速位傳感器、裁斷位傳感器和偏差檢測傳感器。檢測單元安裝于直線滑臺上，通過程序可設(shè)定密封條長度以自動(dòng)確定檢測單位的位置。在裁刀正下方的裁斷處安裝有光纖傳感器，作為密封條計(jì)長的“長度零位”，通過機(jī)械安裝保證“長度零位”與“直線滑臺原點(diǎn)”保持固定的距離。

圖1 汽車密封條精密裁斷機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 裁斷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，用于進(jìn)行裁斷機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置和工作過程的顯示[6]；PLC接收光纖傳感器信號、安全報(bào)警信號及按鈕信號；PLC根據(jù)控制流程對進(jìn)料牽引電機(jī)、出料輸送電機(jī)、長度控制電機(jī)、裁刀進(jìn)給電機(jī)、裁刀電機(jī)、吸塵器電機(jī)、夾緊氣缸、推料氣缸進(jìn)行控制。主控PLC配備了模擬量輸出模塊，用于進(jìn)料牽引伺服電機(jī)的無級調(diào)速，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)進(jìn)料；利用模擬量輸出模塊和變頻器實(shí)現(xiàn)出料輸送電機(jī)的平滑連續(xù)調(diào)速；長度控制和裁刀進(jìn)給則采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 控制系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的PLC選取三菱FX3U-48MT/ES（-A）型號，為晶體管輸出型，有48個(gè)輸入輸出口，其中Y0-Y2為高速脈沖輸出口；模擬量輸出模塊選取三菱FX2N-2DA模塊，帶2個(gè)輸出通道；觸摸屏選取昆侖通態(tài)的TPC1061Ti；進(jìn)料傳感器選取歐姆龍光電開關(guān)；長度零位及定長控制傳感器采用歐姆龍光纖傳感器，其檢測靈敏度及抗干擾性較好；進(jìn)料牽引電機(jī)采用松下MCDHT3520通用型伺服驅(qū)動(dòng)器及其對應(yīng)伺服電機(jī)，具有響應(yīng)速度快，精度高，過載特性好的優(yōu)點(diǎn)；出料輸送電機(jī)為三相鼠籠式電機(jī)，采用三菱FR-E700系列經(jīng)濟(jì)型高性能變頻器進(jìn)行調(diào)速控制；裁刀進(jìn)給電機(jī)和長度設(shè)定電機(jī)選用雷賽HS系列步進(jìn)電機(jī)。

3 裁斷機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程圖

密封條在線精密裁斷的工藝流程為生產(chǎn)準(zhǔn)備、牽引進(jìn)料、裁斷作業(yè)、分揀出料?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。在開始前，調(diào)整進(jìn)料牽引機(jī)構(gòu)上下夾板的高度以適應(yīng)密封條的進(jìn)料，并將裁斷裝置的護(hù)罩關(guān)閉，做好相關(guān)運(yùn)行準(zhǔn)備。上電后，在觸摸屏完成運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，之后執(zhí)行自動(dòng)回原點(diǎn)程序；當(dāng)設(shè)備處于原點(diǎn)位置狀態(tài)，觸發(fā)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)的信號，出料輸送帶及進(jìn)料牽引機(jī)運(yùn)行，根據(jù)進(jìn)料緩存區(qū)物料的情況，自動(dòng)匹配運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的進(jìn)料；當(dāng)密封條首段觸發(fā)減速位傳感器，出料輸送帶及進(jìn)料牽引機(jī)切換為低速運(yùn)行；當(dāng)繼續(xù)進(jìn)料觸發(fā)裁斷位傳感器，出料輸送機(jī)進(jìn)料牽引立即停止；夾緊氣缸固定密封條，裁刀啟動(dòng)并進(jìn)給裁斷；之后，夾緊氣缸與裁刀復(fù)位，出料輸送帶動(dòng)作，并由推料氣缸將合格品分揀。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 I/O地址分配表

PLC的I/O地址分配如下表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.3 PLC主要程序的設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)具有手動(dòng)操作、自動(dòng)回原點(diǎn)、單周期運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行四種工作方式。對于具有多種工作模式的三菱PLC控制系統(tǒng)，常采用狀態(tài)初始化指令I(lǐng)ST和步進(jìn)指令STL相結(jié)合進(jìn)行編程，可以有效簡化程序設(shè)計(jì)工作[7-8]，本控制系統(tǒng)主要包含如下程序模塊。

（1）初始化程序。設(shè)計(jì)了初始狀態(tài)和原點(diǎn)位置條件：“長度零位”傳感器觸發(fā)、裁刀上限位觸發(fā)、推料收回位觸發(fā)、裁刀護(hù)罩限位觸發(fā)、夾緊氣缸收回、進(jìn)料高位光眼未觸發(fā)。

（2）手動(dòng)控制程序。為了便于維護(hù)與調(diào)試，設(shè)計(jì)了對各個(gè)部件進(jìn)行獨(dú)立操作，包括進(jìn)料牽引機(jī)、裁刀進(jìn)給、直線滑臺的點(diǎn)動(dòng)，裁刀和出料輸送帶的啟停，氣缸的控制等。設(shè)計(jì)了密封條長度設(shè)定程序，通過觸摸屏輸入長度數(shù)值，即可驅(qū)動(dòng)直線滑臺達(dá)到設(shè)定的位置。為了安全操作，程序中須設(shè)置必要的互鎖與聯(lián)鎖。

（3）回原點(diǎn)控制程序。設(shè)計(jì)了牽引機(jī)回原點(diǎn)程序：進(jìn)料牽引機(jī)夾持密封條先快速進(jìn)料，第一次觸發(fā)“長度零位”傳感器，牽引機(jī)反轉(zhuǎn)一段距離，再慢速正轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诙斡|發(fā)“長度零位”傳感器即停機(jī)，回原點(diǎn)完成。設(shè)計(jì)裁刀自動(dòng)回“裁刀上限位”的原點(diǎn)；對相關(guān)原點(diǎn)位置條件的PLC輸出點(diǎn)復(fù)位。

（4）自動(dòng)控制程序。1）自動(dòng)牽引進(jìn)料：由進(jìn)料牽引機(jī)和出料輸送帶保持一定的速度偏差實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)上料，須保證出料輸送帶的速度大于進(jìn)料牽引機(jī)的速度，并且通過檢測進(jìn)料緩存區(qū)高、中、低位光眼狀態(tài)來調(diào)整運(yùn)行速度，當(dāng)進(jìn)料高位光眼（X017）被觸發(fā)時(shí)，表明當(dāng)前物料供不應(yīng)求，牽引機(jī)停止進(jìn)料；當(dāng)進(jìn)料低位光眼（X021）被觸發(fā)時(shí)，表明當(dāng)前物料充裕，牽引機(jī)應(yīng)高速進(jìn)料；當(dāng)進(jìn)料中位光眼（X020）被觸發(fā)，牽引機(jī)保持正常速度進(jìn)料。對FX2N-2DA模塊的編程，輸出電壓模擬量對伺服電機(jī)和變頻器進(jìn)行連續(xù)平滑的調(diào)速[6]。2）密封條長度測定：密封條的首端從長度零位傳感器處（X014）開始計(jì)長，當(dāng)觸發(fā)減速位傳感器（X015）則開始慢速進(jìn)料，繼而觸發(fā)裁斷位傳感器（X016）則停止進(jìn)料，表明計(jì)長進(jìn)料完成。然后，夾緊氣缸動(dòng)作，將密封條固定。3）裁斷作業(yè)：裁刀電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)，裁刀進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)裁刀部件下降，直至下限位。下降到下限位后，裁刀電機(jī)停機(jī)。然后，夾緊氣缸收縮，裁刀進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)裁刀部件上升，直至上限位。4）分揀出料：出料輸送帶慢速運(yùn)行，密封條首端觸發(fā)長度檢測傳感器（X007），并記錄觸發(fā)所用的時(shí)間T，以此判斷該裁斷后的密封條的偏差是否合格。密封條若為合格品則推料氣缸動(dòng)作，否則出料輸送帶快速運(yùn)行，在尾端進(jìn)入廢料框。

4 加工試驗(yàn)與分析

密封條精密裁斷機(jī)如圖4所示，加工試驗(yàn)選用某車型前門門框密封條，材質(zhì)為密實(shí)型EPDM橡膠，基準(zhǔn)長度811 mm，允許誤差范圍為±2 mm.設(shè)定裁斷機(jī)高速位運(yùn)行速度為35 m/min，中速位運(yùn)行速度為22 m/min，減速區(qū)速度為3.5 m/min，減速區(qū)長度為100 mm，連續(xù)裁切10條，測量密封條的實(shí)際長度，并檢查斷面是否整齊。長度測量的方法為：將密封條平鋪在檢驗(yàn)臺上，利用直尺測量密封條端面的周向2個(gè)不同對應(yīng)位置的長度，然后把兩個(gè)長度值加和取平均值，保留小數(shù)點(diǎn)后面1位，得到實(shí)際長度的數(shù)據(jù)，記錄如表2所示。通過試驗(yàn)可以看出全部密封條的誤差長度均小于±2 mm，裁切斷面平整，滿足工藝要求。裁斷機(jī)加工穩(wěn)定，控制系統(tǒng)控制效果良好。

圖4 密封條精密裁斷機(jī)

表2 加工試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

汽車密封條在線精密裁斷機(jī)控制系統(tǒng)以三菱FX3U系列PLC作為主控制器，通過檢測入料緩存區(qū)三個(gè)傳感器的狀態(tài)，利用FX2N-2DA模擬量單元實(shí)現(xiàn)進(jìn)料牽引伺服電機(jī)和出料輸送帶的高、中、低速自動(dòng)匹配調(diào)速控制，保證平穩(wěn)進(jìn)料；定長控制裝置設(shè)有減速位、裁斷位和偏差檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)精確定長裁斷和成品分揀；以昆侖通態(tài)觸摸屏作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和生產(chǎn)過程監(jiān)控。該控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)回原點(diǎn)、單周期運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行四種工作模式，可實(shí)現(xiàn)設(shè)定裁斷長度、自動(dòng)匹配產(chǎn)線速度、故障報(bào)警等功能。裁斷機(jī)裁切精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取得良好的控制效果，已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。