涂小元
(荊楚理工學(xué)院,荊門 448000)
當(dāng)前在制造業(yè)中柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用越來越多,它可以顯著提高制造業(yè)生產(chǎn)效率,縮短生產(chǎn)周期,節(jié)約生產(chǎn)成本。通過運(yùn)用柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線可以極大地提升生產(chǎn)設(shè)備的使用率,提供更多穩(wěn)定高效的產(chǎn)品生產(chǎn)能力,同時(shí)有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。目前,國內(nèi)針對(duì)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的相關(guān)研究和實(shí)踐依然處在關(guān)鍵階段?;诖?,應(yīng)該高度重視基于PLC的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的的分析與設(shè)計(jì),以便給柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的普及應(yīng)用提供有價(jià)值的參考[1]。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線可以分為兩大環(huán)節(jié),即物料流、信息流。信息流是指將柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)中的各個(gè)有機(jī)結(jié)合,使系統(tǒng)更加高效,更加穩(wěn)定地運(yùn)行。因此,如何做到精準(zhǔn)控制成為柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)課題。物料流是指原材料、半成品、零件等經(jīng)過加工、檢驗(yàn)、裝配、試驗(yàn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸最終獲得產(chǎn)品的全過程。而控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象就是信息流、物料流,基于PLC控制生產(chǎn)線系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)過程控制。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線模型,主要包括三個(gè)單元:供料單元、裝配單元、暫存單元??梢赃M(jìn)行多種工件裝配。為了提高生產(chǎn)線模型的柔性度,設(shè)計(jì)中使用條碼掃描槍來判斷工件種類,該生產(chǎn)線工位分布如圖1所示。
圖1 柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線工位示意圖
在傳送帶尾端都設(shè)置了擋塊用于攔擋工件,目的是方便傳感器檢測工件,等待下一步處理。該生產(chǎn)線的上位機(jī)是裝有CP5611通訊卡的主機(jī),三個(gè)單元的控制器均采用三菱FR-A PLC,通過PROFIBUS-DP連接PLC與總線網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
為了保證生產(chǎn)線系統(tǒng)的柔性度,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,在上位機(jī)中裝有WinCC組態(tài)軟件,對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理。
供料單元主要包括擺動(dòng)模塊、料倉模塊。貼有條形碼的工件存放在料倉之中,在生產(chǎn)過程中,存放于料倉的工件會(huì)被雙作用氣缸將推送至指定位置[2]。利用傳感器檢測料倉中是否有工件。雙作用氣缸的位置可利用電感式傳感器檢測。雙作用氣缸伸縮速度通過單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。條碼掃描槍將掃描條形碼,將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至PLC對(duì)比工件的種類數(shù)據(jù),將對(duì)比結(jié)果傳送至上位機(jī)。擺動(dòng)模塊的吸盤吸取料倉中推出的工件,利用真空檢測開關(guān)確認(rèn)工件是否被吸取,通過擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)擺臂將工件傳送至傳送帶。功能單元的生產(chǎn)動(dòng)作順序設(shè)計(jì)如下:(1)檢查料倉,有工件則繼續(xù)下一步生產(chǎn)動(dòng)作;沒有工件則報(bào)警,等待放入工件;(2)擺動(dòng)缸移動(dòng)至“下一個(gè)工位”位置;(3)回縮雙作用氣缸,推出工件;(4)條碼掃描器掃描條形碼;(5)雙作用氣缸轉(zhuǎn)移至“料倉”位;(6)啟動(dòng)。吸起工件,真空開關(guān)切換;(7)伸出雙作用氣缸,落放工件;(8)雙作用氣缸轉(zhuǎn)到“下一工位”位;(9)真空關(guān)閉;(10)擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)到“料倉”位。
作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的核心,裝配單元的主要任務(wù)是組裝工件。裝配單元最核心的部件是四自由度圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手,該機(jī)械手主要完成工件傳遞與裝配工作,通過步進(jìn)電機(jī)控制,可以橫向伸出與縮回、縱向上升與下降、底盤旋轉(zhuǎn)、腕旋轉(zhuǎn),機(jī)械抓手通過氣動(dòng)方式控制。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為SH-2H057,輸入脈沖、電平信號(hào)是由PLC提供。在裝配單元中,當(dāng)工件被傳送至傳送帶末端,傳感器檢測到工件后會(huì)向PLC發(fā)送信號(hào),PLC接收信號(hào)后將控制空閑的機(jī)械手抓取工件[3]。按照接收工件類型數(shù)據(jù),PLC將自動(dòng)判斷使用哪類配件進(jìn)行工件裝配,并向機(jī)械手發(fā)出指令控制機(jī)械手抓取相應(yīng)配件完成裝配任務(wù),完成裝配后機(jī)械手將工件抓住放置于左側(cè)傳送帶以便工件被傳送至?xí)捍鎲卧?,機(jī)械手回復(fù)原位。裝配單元的動(dòng)作順序設(shè)計(jì)如下:(1)料倉推送配件;(2)機(jī)械手抓取工件;(3)機(jī)械手打開將工件放置于裝配臺(tái);PLC根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷工件類型,如果是類型1,執(zhí)行下一步,如果是類型2則跳轉(zhuǎn)至步驟(5)。(4)機(jī)械手抓取配件1;(5)機(jī)械手抓取配件2;(6)機(jī)械手組裝配件;(7)機(jī)械手抓取工件送至滑槽模塊;(8)傳感器檢測到工件,打開氣缸將工件送至傳送帶;(9)機(jī)械手恢復(fù)原位。
在裝配單元中除了自自由度機(jī)械手之外,料倉模塊也是其重要組成部分。料倉模塊用于儲(chǔ)存物料。配件從料倉模塊中分離出來。PLC則負(fù)責(zé)根據(jù)根據(jù)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)配機(jī)械手完成工件裝配
暫存單元主要包括搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、底車、立體倉位貨架等部分。其中底車用于承載單元主體,底車內(nèi)裝有PLC。搬運(yùn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)三自由度的直角坐標(biāo)機(jī)械手,由電動(dòng)缸、雙作用氣缸、氣動(dòng)抓手等部件構(gòu)成。電動(dòng)缸由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)精確定位,底部Z軸方向?yàn)殡p作用氣缸可實(shí)現(xiàn)前后伸縮,抓手裝于Z軸。暫存單元作用是按照順序?qū)⒀b配工件擺在貨架指定位置上。當(dāng)傳感器檢測到工作時(shí),機(jī)械手根據(jù)PLC控制器指令抓取工件,并將其放置于指定倉位,然后回復(fù)原位,進(jìn)行下一步操作。暫存單元的主要?jiǎng)幼黜樞蛟O(shè)計(jì)如下:(1)機(jī)械手抓取工件;(2)機(jī)械手沿Z軸位移,定位Z坐標(biāo);(3)機(jī)械手沿X軸位移,定位X坐標(biāo);(4)機(jī)械手沿Y軸位移,定位Y坐標(biāo);(5)機(jī)械手沿Z軸伸出放置工件;(6)機(jī)械回復(fù)原位。
現(xiàn)代工業(yè)要求制造業(yè)具備快速反映能力,能夠根據(jù)市場需求變化靈活調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃,生產(chǎn)小批量、多品種、高質(zhì)量產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),自動(dòng)化自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)必須具備良好的靈活性和可靠性。在此背景下,PLC可編程控制器應(yīng)運(yùn)而生。做為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一,PLC在自動(dòng)化生產(chǎn)控制中的作用非常重要。
步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收脈沖信號(hào)后就會(huì)按照指定方向轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)角度(即步進(jìn)角),因此,我們可以通過控制脈沖信號(hào)數(shù)量來控制角位移量,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。此外,還可以通過控制脈沖頻率達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的目的。本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線系統(tǒng)采用兩相混合步進(jìn)電機(jī),采用串聯(lián)型接法連接。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī),而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用大型集成電路,具有很強(qiáng)的抗干擾性和快速響應(yīng)能力,甚少出現(xiàn)死機(jī)或丟步。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在與PLC連接時(shí)需要連接信號(hào)主要包括方向信號(hào)、脈沖信號(hào)等。為確保步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,其運(yùn)動(dòng)最大速度不得超過6m/min。為了精準(zhǔn)定位工件,電機(jī)應(yīng)設(shè)置合理的加速、減速。為此可利用PLC多段管道PTO輸出高速脈沖方式控制步進(jìn)電機(jī)。在此模式下,CPU讀取V存儲(chǔ)器區(qū)包絡(luò)表中的脈沖串特性,包絡(luò)表中的周期值需使用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),且包絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)下不可改變,進(jìn)而執(zhí)行PLS指令啟動(dòng)多段操作。
本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線系統(tǒng)采用CipherC1000條碼掃描槍進(jìn)行條碼掃描,系統(tǒng)中的PLC自帶RS485接口,條碼掃描槍通過連接至PLC的RS485接口,還需要配置條碼閱讀器、條碼解碼器與PCI/PPI電纜。條形碼信息經(jīng)解碼器解碼后傳送至PLC,PLC調(diào)用數(shù)據(jù)識(shí)別工件類型。
本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線系統(tǒng)中的雙作用氣缸采用5/2雙電控電磁閥控制。PLC輸出連接至電磁閥線圈上,通過控制線圈通電、失電,達(dá)到控制雙作用氣缸伸縮的目的。
擺動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,主要運(yùn)用于供料單元,主要作用時(shí)從料倉中將工件轉(zhuǎn)移至傳送帶,其控制原理類似于雙作用氣缸,通過PLC輸出連接至電磁閥線圈上實(shí)現(xiàn)控制。
綜上所述,本文設(shè)計(jì)了一條最簡化的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線,主要運(yùn)用PLC技術(shù)、監(jiān)控組態(tài)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)。探討了柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的基本構(gòu)成:供料單元、裝配單元、暫存單元的功能和動(dòng)作順序,簡述了步進(jìn)電機(jī)、雙作用氣缸、條碼掃描槍、機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)。