基于PLC的起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳昊，王鵬，陳鐵，張樹(shù)文

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所 山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.山東德魯克起重機(jī)有限公司，山東 新泰 271208)

起重機(jī)設(shè)備的主要作用是對(duì)物料進(jìn)行運(yùn)輸、卸裝等，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及降低生產(chǎn)成本等起著重要的作用[1]。起重機(jī)常用型號(hào)有電動(dòng)單、雙梁，單主梁起重機(jī)、雙主梁龍門(mén)起重機(jī)等。主梁是其重要組成部分，傳統(tǒng)加工方式一般需要單段折彎、單段組裝拼焊，再根據(jù)起重機(jī)的跨度分段組裝拼焊。但是隨著質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)起重機(jī)主梁加工時(shí)的焊接質(zhì)量、裝配精度等都有了更高的要求，傳統(tǒng)的加工方式常常會(huì)因?yàn)楹附尤毕?、裝配偏差等問(wèn)題，導(dǎo)致整個(gè)起重機(jī)主梁需要重新加工，另外噪聲以及空氣污染也給生產(chǎn)線上的工人帶來(lái)了負(fù)面的影響，與國(guó)家節(jié)能減排的要求不符。

本文利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為平臺(tái)，以起重機(jī)主梁加工系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款起重機(jī)主梁自動(dòng)加工設(shè)備，具有將鋼板自動(dòng)對(duì)中、自動(dòng)擠壓成型、模具自動(dòng)調(diào)節(jié)以及設(shè)備狀態(tài)預(yù)警等功能，該加工設(shè)備與傳統(tǒng)的拼焊加工方法相比，減少了人工操作，提高了生產(chǎn)效率，且性能穩(wěn)定可靠。

1 起重機(jī)主梁加工方法

1.1 傳統(tǒng)起重機(jī)主梁加工方法

一般常用的起重機(jī)主要有橋式起重機(jī)、門(mén)式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)等[2]，其主梁結(jié)構(gòu)都是由U型箱體結(jié)構(gòu)組成。

傳統(tǒng)的起重機(jī)主梁加工方法一般采用全焊接或折彎焊接。全焊接方法由于鋼板尺寸的限制，每段長(zhǎng)度不超過(guò)1.5 m，將側(cè)板通過(guò)工裝內(nèi)襯支架焊接在一起，再將每段拼焊組成主梁。不同類(lèi)型起重機(jī)主梁通過(guò)全焊接方法加工的橫截面如圖1所示。

圖1 兩種起重機(jī)主梁全焊接加工的焊縫位置

折彎焊接方法是將鋼板按照起重機(jī)主梁三面展開(kāi)尺寸下料后，由折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行兩處折彎，折成U型箱體，再根據(jù)起重機(jī)的總跨度將每段拼焊到一起。折彎?rùn)C(jī)工作臺(tái)有長(zhǎng)度限制，一般在3 m以內(nèi)，相比全焊接方法增加了單段主梁的長(zhǎng)度，減少了整段主梁橫向焊縫，見(jiàn)圖2。

圖2 兩種起重機(jī)主梁通過(guò)折彎?rùn)C(jī)加工的焊縫位置

由此可見(jiàn)折彎焊接方法比全焊接方法可以減少主梁上的焊縫數(shù)量，但是這兩種加工方法都存在以下問(wèn)題：焊接的固有特性會(huì)引起主梁焊后變形，由焊接導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)引起單段主梁變形，在焊接時(shí)需要對(duì)主梁矯正，矯正后焊接主梁存在內(nèi)應(yīng)力，使得整個(gè)主梁在焊接后變形[3]；由于多段拼焊會(huì)累積誤差，最終組裝的質(zhì)量依靠后期校正實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致主梁的質(zhì)量不容易控制；使用折彎?rùn)C(jī)對(duì)單段主梁進(jìn)行折彎，需要多人多次協(xié)作完成，效率低下。

1.2 改進(jìn)的起重機(jī)主梁加工方法

鑒于傳統(tǒng)起重機(jī)主梁加工方法的缺陷，本文加工方法是將6 m長(zhǎng)的鋼板根據(jù)起重機(jī)主梁三面的展開(kāi)寬度下料，再將鋼板放到加工設(shè)備沖壓成型。這種方法可將起重機(jī)主梁的三面通過(guò)起重機(jī)主梁加工設(shè)備(見(jiàn)圖3～4)一次加工成型，相比傳統(tǒng)的全焊接方法縱向減少兩條焊縫；相比折彎焊接方法，焊縫的數(shù)量沒(méi)有減少，但是本加工設(shè)備可以一次折出起重機(jī)主梁的三面，減少了工作流程，提高了工作效率。本設(shè)備可一次加工長(zhǎng)度為6 m的單段起重機(jī)主梁，而全焊接方法一次只能加工出1.5 m的主梁，折彎焊接方法根據(jù)折彎?rùn)C(jī)工作臺(tái)的不同長(zhǎng)度，一般可加工出2～3 m的單段主梁，相比之下本文加工方法效率大為提高。

圖3 基于PLC的起重機(jī)主梁加工設(shè)備三維圖

圖4 起重機(jī)主梁加工設(shè)備樣機(jī)

2 起重機(jī)主梁加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作流程

起重機(jī)主梁加工設(shè)備由橫梁、上模位置調(diào)整裝置、液壓缸、上模、送料裝置、下模等組成。圖5為起重機(jī)主梁生產(chǎn)裝備總體結(jié)構(gòu)圖。各組成部分的作用如下：(1)橫梁：主要用來(lái)承受模具和液壓缸的重量以及沖壓鋼板時(shí)的壓力；(2)上模位置調(diào)整裝置：安裝在橫梁的齒條上，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右移動(dòng)，調(diào)整上下模的左右位置關(guān)系；(3)液壓缸：設(shè)備的沖壓裝部分,由3個(gè)相同液壓缸組成，安裝在上模調(diào)整裝置上，用于沖壓鋼板。每個(gè)液壓缸都裝有壓力傳感器、上下限位、行程限位傳感器，用來(lái)限制液壓缸的運(yùn)行距離、保護(hù)液壓缸的安全；(4)上模：安裝在液壓缸下，根據(jù)起重機(jī)主梁內(nèi)腔的尺寸可選用不同大小的模具；(5)送料裝置：安裝在下模的一側(cè)，用于將鋼板推送到設(shè)定的沖壓位置；(6)下模：由左右兩個(gè)擋板組成，其中一個(gè)固定，另一個(gè)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右移動(dòng)，用來(lái)調(diào)整下模的寬度。下模底面裝有滾輪，方便沖壓完成后起重機(jī)主梁的運(yùn)輸。

圖5 起重機(jī)主梁加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

接通電源后，將提前裁剪好的定制鋼板使用行車(chē)等輔助設(shè)備運(yùn)送到送料裝置的物料臺(tái)上。物料臺(tái)表面裝有滾珠，方便大型鋼板的滑動(dòng)。根據(jù)工作需求在人機(jī)界面選擇工作模式，包括手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，設(shè)備根據(jù)選擇的模式進(jìn)行判斷并調(diào)用相應(yīng)的控制程序。手動(dòng)模式一般在調(diào)試或設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)使用，在手動(dòng)模式下可點(diǎn)擊人機(jī)界面相應(yīng)的按鈕，控制上模調(diào)整裝置和下模調(diào)整裝置的左右移動(dòng)以及液壓缸的上下移動(dòng)(在手動(dòng)模式下液壓缸不受行程限位傳感器的限制)。自動(dòng)模式下，首先設(shè)定鋼板和主梁寬度，按下啟動(dòng)按鈕后，上模調(diào)整裝置自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定位置，送料裝置通過(guò)控制器的計(jì)算自動(dòng)運(yùn)行將鋼板推送到?jīng)_壓位置，下模調(diào)整裝置調(diào)整到設(shè)定寬度，液壓缸從行程上限位處開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行到行程下限位處保持2 s后，沖壓動(dòng)作完成。這時(shí)單段起重機(jī)主梁三面已經(jīng)成型，隨后下模調(diào)整裝置運(yùn)行到原點(diǎn)位置，單段起重機(jī)主梁被松開(kāi)(省去了下模的頂出裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單)，整個(gè)自動(dòng)工作過(guò)程結(jié)束。最后利用下模底面的滾輪將單段起重機(jī)主梁拉出，運(yùn)送到下一工位。

3 基于PLC的控制系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)起重機(jī)主梁加工設(shè)備的加工原理、控制過(guò)程要求，設(shè)計(jì)的設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)備的系統(tǒng)硬件主要包括PLC、人機(jī)交互界面、傳感器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及液壓缸等。PLC 是一種可編程控制器，相當(dāng)于控制設(shè)備，采用梯形圖或語(yǔ)句表編程，還可以與人機(jī)界面數(shù)據(jù)交互，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多狀態(tài)、多工況變化的需要[4]。通過(guò)分析，采用臺(tái)達(dá)PLC 公司生產(chǎn)的 EH系列，其可靠性、擴(kuò)展性、維護(hù)性等比較好。

圖6 起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，用于接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理[5]，從而控制整個(gè)設(shè)備的工作；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與PLC相連，接收PLC的指令；傳感器用來(lái)采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行元件為液壓缸和伺服電機(jī)；人機(jī)界面通過(guò)串口與PLC進(jìn)行通信，主要用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的起重機(jī)主梁加工設(shè)備的控制系統(tǒng)分為人機(jī)界面模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和程序管理模塊，見(jiàn)圖7。

圖7 起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)動(dòng)控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心模塊，主要包括伺服控制模塊和I/O模塊，I/O模塊用來(lái)輸出電機(jī)、液壓缸的啟停命令，接收傳感器信號(hào)。參數(shù)設(shè)置模塊的作用是設(shè)置電機(jī)參數(shù)、延時(shí)時(shí)間、沖壓鋼板尺寸和起重機(jī)主梁成型參數(shù)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊包括報(bào)警提示和I/O狀態(tài)顯示，操作人員可以通過(guò)I/O狀態(tài)顯示對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)報(bào)警模塊會(huì)發(fā)出提示。程序管理模塊主要作用是實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)起重機(jī)主梁加工程序的調(diào)用和保存。人機(jī)界面模塊是將以上模塊的輸出輸入狀態(tài)顯示在人機(jī)界面上，方便操作人員使用。

3.2.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是用戶與控制系統(tǒng)交互的橋梁，為用戶全面準(zhǔn)確地掌握設(shè)備運(yùn)行情況提供了極大的便利[6]。用戶通過(guò)人機(jī)界面將加工程序、加工參數(shù)、電機(jī)參數(shù)等指令發(fā)送給系統(tǒng)，控制加工過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)將運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等信息通過(guò)人機(jī)界面反饋給用戶，便于對(duì)起重機(jī)主梁的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視控制。

開(kāi)機(jī)時(shí)初始化自動(dòng)跳到主界面，如圖8所示，此時(shí)會(huì)以紅色字體走馬燈閃爍形式提示回零操作，按下回零按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)回零，回零結(jié)束后提示消失，系統(tǒng)才可以正常操作。主界面分為手動(dòng)界面、自動(dòng)界面、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警監(jiān)測(cè)。手動(dòng)界面中，可以對(duì)伺服電機(jī)和液壓缸進(jìn)行正向點(diǎn)動(dòng)或負(fù)向點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，為設(shè)備調(diào)試提供方便。自動(dòng)界面中，可以對(duì)自動(dòng)加工程序進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作，同時(shí)還可以根據(jù)加工型號(hào)對(duì)程序進(jìn)行選擇。參數(shù)設(shè)置中，包括電機(jī)參數(shù)設(shè)置和加工參數(shù)設(shè)置，可修改電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)加工程序參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)圖9。報(bào)警監(jiān)測(cè)界面主要用于顯示包括行程限位信號(hào)、壓力信號(hào)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警提示，方便操作人員了解設(shè)備的健康狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)彈出報(bào)警界面提示，錯(cuò)誤處理完后，按下報(bào)警復(fù)位，提示消除。

圖8 主界面

圖9 參數(shù)設(shè)置

3.2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中由于需要對(duì)3臺(tái)伺服電機(jī)和液壓缸進(jìn)行定位控制，所以選用DVP64EH00T3，其具有4路高速脈沖輸出接口，同時(shí)具有32路輸出、32路輸入，完全滿足設(shè)備的控制要求，輸入輸出元件地址分配見(jiàn)表1。由于控制系統(tǒng)具有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式，在程序編寫(xiě)時(shí)，本設(shè)計(jì)按手動(dòng)程序和自動(dòng)程序這兩大模塊進(jìn)行編寫(xiě)[7]。

表1 輸入輸出元件地址分配表

手動(dòng)程序的編寫(xiě)需要滿足3臺(tái)伺服電機(jī)(上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置和送料裝置)的點(diǎn)動(dòng)控制和液壓缸的上升下降這些運(yùn)動(dòng)的控制要求。自動(dòng)程序包括上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置和送料裝置自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定后計(jì)算得到的位置，液壓缸沖壓，沖壓完成后下模調(diào)整裝置松開(kāi)，液壓缸回到初始位置，手動(dòng)、自動(dòng)程序的切換通過(guò)人機(jī)界面按鈕實(shí)現(xiàn)。整個(gè)程序結(jié)構(gòu)有初始化程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)程序和回零程序組成[8-9]。控制系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖10。在初始化程序運(yùn)行時(shí)，要對(duì)PLC中各個(gè)信號(hào)、回零狀態(tài)和各軸狀態(tài)等進(jìn)行初始化，防止誤操作造成的人員傷害或設(shè)備損壞。

圖10 控制系統(tǒng)程序流程圖

在初始化程序中，復(fù)位了回零完成標(biāo)志，在每次設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)回零提示，必須點(diǎn)擊回零按鈕，完成回零動(dòng)作后，才可以進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)程序的操作。圖11給出了自動(dòng)程序流程圖。

圖11 自動(dòng)程序流程圖

自動(dòng)程序控制過(guò)程分析：上電開(kāi)機(jī)后，首先點(diǎn)擊回零按鈕，上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置、送料裝置向零點(diǎn)方向以設(shè)定速度運(yùn)行，碰到各自零點(diǎn)傳感器后停止，并將當(dāng)前位置設(shè)置為零點(diǎn)。正確放置好鋼板后，設(shè)置鋼板寬度和起重機(jī)主梁成型參數(shù)后，按下啟動(dòng)按鈕，上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置、送料裝置自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定計(jì)算位置，全部到位后，液壓缸開(kāi)始沖壓。直到遇到液壓缸下限位信號(hào)，液壓缸停止并保持2 s，下模調(diào)整裝置回到零點(diǎn)，液壓缸返回到初始位置，自動(dòng)程序結(jié)束。

4 運(yùn)行測(cè)試

起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。運(yùn)行測(cè)試時(shí)分別按照自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的操作流程進(jìn)行操作。測(cè)試結(jié)果表明，基于PLC的起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制要求。選擇人機(jī)界面作為上位機(jī)使用方便，可對(duì)不同型號(hào)加工板材的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行分組設(shè)置。運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息，方便操作人員及時(shí)排除故障。

起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某公司的起重機(jī)主梁加工生產(chǎn)設(shè)備中。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，使用該系統(tǒng)的加工設(shè)備加工一段6 m的主梁U型箱體只需要2～4 min，加工一臺(tái)18 m的主梁U型箱體只需要6～12 min。而傳統(tǒng)的加工方式加工，同樣18 m的主梁U型箱體需要2 d。與企業(yè)原有加工方法相比，使用該系統(tǒng)的設(shè)備也節(jié)約了人力，降低了用工成本。

5 結(jié)論

基于PLC的起重機(jī)主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)起重機(jī)主梁加工方法效率低、誤差大等問(wèn)題，目前已在某企業(yè)的起重機(jī)主梁生產(chǎn)中得到應(yīng)用。通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)證明，本控制系統(tǒng)加工的產(chǎn)品由于采用沖壓一次成型，減少了焊(接)縫數(shù)量，提高了主梁的美觀程度和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了焊接帶來(lái)的污染。