基于PLC與伺服液壓的裝胎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許星暉 縣維平

摘 要：在裝胎機(jī)的控制系統(tǒng)中，PLC作為控制的核心，將伺服液壓機(jī)、位移傳感器和變頻器串聯(lián)起來，高效精確的完成裝胎機(jī)的自動(dòng)成胎功能。本文從伺服液壓的控制原理出發(fā)，探討伺服液壓在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)一種將PLC作為基礎(chǔ)，合理應(yīng)用伺服液壓的控制系統(tǒng)，穩(wěn)定提高裝配的效率和裝配產(chǎn)品的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： PLC；位置伺服控制；電液伺服控制；裝胎機(jī)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)也得到了快速的發(fā)展，對(duì)于汽車裝配的自動(dòng)化要求也越來越高。而在汽車裝配的流程中，輪胎裝備的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)整體裝配自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。輪胎裝配的生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，應(yīng)用以PLC為控制核心，并結(jié)合了伺服液壓的自動(dòng)輪胎裝配機(jī)控制系統(tǒng)，可以有效提高汽車裝配的自動(dòng)化程度和輪胎裝配的生產(chǎn)質(zhì)量。

1系統(tǒng)組成及工作原理

出于保證裝胎機(jī)效率和精度的目的，在車輛與目標(biāo)相接近的時(shí)候，限速傳感器就會(huì)使車輛低速行駛，使車輛到達(dá)裝載位置，當(dāng)車輛將輪胎輪放置在第二支架上之后才會(huì)返回。輪轂由第二支架上的夾頭固定，等待裝配。

在輪胎的裝載過程中，首先由提升液壓缸驅(qū)動(dòng)，將輪胎頭整體下移，然后通過三臺(tái)電液伺服閥的膨脹缸來調(diào)整輪胎臂和裝載機(jī)的位置，在輪胎頭中找到合適的位置，方便拖車的插入。在輪胎初步裝載成功之后，輪胎臂開始帶動(dòng)輪胎和輪轂進(jìn)行第一圈轉(zhuǎn)動(dòng)。由于輪胎臂插入了輪胎和輪轂的縫隙，所以在輪胎臂的旋轉(zhuǎn)的過程中，輪胎會(huì)出現(xiàn)落后。因此，電液伺服閥會(huì)推動(dòng)輪胎壓機(jī)，按下輪胎，將輪胎的上緣和輪轂組裝，完成輪胎的整體裝載。

在輪胎安裝后，輪胎頭部驅(qū)動(dòng)輪胎臂、安裝裝置和輪胎壓回到原來的位置，等待下一個(gè)輪胎到達(dá)。支架上的返回原位信號(hào)和輪胎就緒信號(hào)啟動(dòng)汽車以抬起加載的輪胎并將其發(fā)送出去。

2 PLC 電氣控制系統(tǒng)

在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中，首要的控制要求是在控制系統(tǒng)接通電源的第一時(shí)間，就需要執(zhí)行PLC和觸摸屏的初始化程序，然后再由PLC對(duì)系統(tǒng)是否滿足啟動(dòng)條件進(jìn)行檢測。如果不滿足以上條件，觸摸屏將會(huì)直接顯示出報(bào)警信息，同時(shí)系統(tǒng)不進(jìn)行正常工作，需要經(jīng)過調(diào)試后進(jìn)入下一程序；如果滿足以上條件，裝胎機(jī)控制系統(tǒng)就將處于待機(jī)狀態(tài)，接下來的具體操作如下：

（1）開啟“啟動(dòng)”按鈕，使伺服電機(jī)進(jìn)入待機(jī)專題，并且給復(fù)卷力矩電機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)。在開啟繞組電機(jī)的“啟動(dòng)”按鈕后，開始運(yùn)行繞組轉(zhuǎn)矩點(diǎn)擊，并且由編碼器將該電機(jī)的脈沖信號(hào)發(fā)送給PLC，由PLC處理后向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送，從而保證伺服電機(jī)的同時(shí)運(yùn)行和跟蹤接線。

（2）在設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)下

開啟“手動(dòng)調(diào)試”按鈕，操作人員在調(diào)試界面里進(jìn)入手動(dòng)調(diào)試狀態(tài)，將卷繞機(jī)、放線機(jī)和線纜伺服電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，并在調(diào)試完成之后回到主界面。

與手動(dòng)調(diào)試相對(duì)應(yīng)的，在自動(dòng)操作的過程中，啟動(dòng)按鈕會(huì)同時(shí)啟動(dòng)繞線電機(jī)和繞線伺服電機(jī)進(jìn)入倒計(jì)狀態(tài)，將繞線電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在自動(dòng)狀態(tài)中，編碼器會(huì)自動(dòng)向繞線伺服驅(qū)動(dòng)器輸送脈沖信號(hào)，啟動(dòng)繞線電機(jī)并跟蹤繞線機(jī)，在檢測到設(shè)備出現(xiàn)不正常情況的時(shí)候停止進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

在啟動(dòng)“停止”按鈕之后，引取電機(jī)和排線點(diǎn)擊會(huì)立刻停止運(yùn)行，編碼器也會(huì)立刻停止發(fā)送脈沖信號(hào)，但是收卷電機(jī)會(huì)在30s之后進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。在點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕的時(shí)候，排線電機(jī)會(huì)自動(dòng)返回到初始狀態(tài)并自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，有18個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)和15個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)。根據(jù)伺服液壓系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，該系統(tǒng)需要三個(gè)輸入量和三個(gè)輸出量，分別是三個(gè)位移傳感器和三個(gè)伺服放大器，這要求裝胎機(jī)控制系統(tǒng)擴(kuò)展三個(gè)EM235模塊，以滿足伺服液壓系統(tǒng)的需求。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

為了方便操作和監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，該系統(tǒng)使用西門子tp.170b作為上位計(jì)算機(jī)來監(jiān)控輪胎裝載機(jī)的運(yùn)行狀況。

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，將監(jiān)控模塊分為八個(gè)部分。其中汽車的配置行駛速度、安裝臂通過l/0域進(jìn)行控制和監(jiān)視；輪胎裝載機(jī)、輪胎壓力機(jī)、設(shè)備的報(bào)警和各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件有著自己的手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕。在監(jiān)控系統(tǒng)中，還可以通過1/0字段調(diào)整小車的速度；通過1/0場，根據(jù)輪胎的不同類型對(duì)福手臂、輪胎裝載機(jī)和輪胎的類型進(jìn)行調(diào)整；最后，專用的報(bào)警屏幕專用于設(shè)備的故障檢查，而手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕提供給每個(gè)部件局部調(diào)整的基礎(chǔ)。

2.2 伺服控制原理

在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)是屬于一種反饋控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)所得到的脈沖信號(hào)是用來與事先給定的數(shù)值進(jìn)行比較的，系統(tǒng)可以根據(jù)比較的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，同樣以脈沖信號(hào)的方式修正系統(tǒng)中所存在的誤差。根據(jù)給定數(shù)值和輸入脈沖信號(hào)的不同，伺服控制系統(tǒng)可以按照目的分為三種模式：速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制模式。其中，速度控制模式是用來調(diào)整電機(jī)的輸出速度，轉(zhuǎn)矩控制模式和位置控制模式則是是用來控制電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、速度和角度。

液壓裝缸機(jī)缸蓋螺栓自動(dòng)鎖緊時(shí)，伺服控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)頭和缸蓋螺栓的相對(duì)位置。而脈沖信號(hào)的頻率又決定了旋轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)速度。而由PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的脈沖信號(hào)，決定旋轉(zhuǎn)頭通過點(diǎn)到點(diǎn)的位置控制來決定旋轉(zhuǎn)頭的控制方式。

3輪胎輸送系統(tǒng)

輪胎和車輪是通過一輛沿著直線軌道行駛的汽車運(yùn)送到輪胎裝載機(jī)上的。由于在運(yùn)送輪胎的過程中放在小車.上的輪胎無固定裝置，如果汽車快速停止，輪胎會(huì)因慣性過大而脫落。因此，需要在靠近目標(biāo)位置時(shí)開始減速。在返回的過程中，為了節(jié)省資源、提高生產(chǎn)的效率，車上告訴旋轉(zhuǎn)的輪胎會(huì)停止。在停止位置附近運(yùn)行時(shí)，低速運(yùn)行。減少影響。為了保證上述功能的正常實(shí)現(xiàn)，本文主要采用西門子MM440變頻器，該變頻器具有四級(jí)的定頻控制方式，可以有效實(shí)現(xiàn)輪胎的快速輸送功能。

4裝胎臂的伺服控制系統(tǒng)

在輪胎的整體裝載過程中，需要兩次旋轉(zhuǎn)輪胎臂才能完成輪胎的裝配。在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中，為了完成這一操作，主要采用了交流伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)由伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器配合PLC構(gòu)成，通過PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送高速脈沖信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。而伺服電機(jī)作為一種機(jī)械構(gòu)件，其旋轉(zhuǎn)的角度和速度都是由電子齒輪的比率設(shè)定。其公式為：

電子齒輪比=編碼器分辨率/轉(zhuǎn)一圈所需脈沖

5 裝胎機(jī)液壓系統(tǒng)

5.1液壓系統(tǒng)的組成

在液壓系統(tǒng)中，許多器械的調(diào)整都依賴于液壓的驅(qū)動(dòng)，比如胎頭的升降、胎臂的尺寸調(diào)整、和壓胎機(jī)的落料深度等等。特別是對(duì)于安裝頭的升降活動(dòng)，都是通過開關(guān)閥7DT和液壓缸進(jìn)行全行程運(yùn)動(dòng)。

5.2電液伺服系統(tǒng)分析

在電液伺服系統(tǒng)中主要有三大控制系統(tǒng)，即位置、速度和力矩。應(yīng)用在裝胎機(jī)控制系統(tǒng)中的電液伺服系統(tǒng)主要是采用了位置控制系統(tǒng)，將輪胎臂、輪胎壓機(jī)和輪胎裝載機(jī)進(jìn)行分別控制。電液伺服系統(tǒng)對(duì)這三者的控制原理是完全相同的，本文只對(duì)輪胎臂控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

小結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的裝胎機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)結(jié)合了PLC和伺服液壓系統(tǒng)，結(jié)合變頻調(diào)速器和伺服電機(jī)控制器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安裝輪胎的功能。應(yīng)用裝胎機(jī)控制系統(tǒng)，不單能夠使裝載輪胎的效率得到進(jìn)步，還能將輪轂在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生劃痕的概率降到千分之一，同時(shí)提高了勞動(dòng)的效率和質(zhì)量。

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