嬰兒床側(cè)扇組裝線控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

李大偉

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110161）

1 嬰兒床側(cè)扇組裝線基本結(jié)構(gòu)和組裝要求

某木工生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的一種嬰兒床產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)主要由側(cè)扇、端扇、底扇3 個(gè)部分組成。下面以側(cè)扇工藝為例，說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)安裝。

嬰兒床側(cè)扇基本結(jié)構(gòu)由木撐和木棒連接構(gòu)成：一個(gè)側(cè)扇由兩個(gè)木撐和16 根木棒組裝而成，每個(gè)木撐上有16 個(gè)安裝孔，用于與木棒之間的連接。

生產(chǎn)線的工作過(guò)程：①人工將床架橫撐和底板圓棒放置在相應(yīng)料倉(cāng)內(nèi)；②底板橫撐通過(guò)氣缸推動(dòng)和定位傳送到打膠工位上進(jìn)行打膠；③通過(guò)輸送線將打完膠的橫撐工件輸送到組裝工位；④通過(guò)檢測(cè)裝置將定位好的橫撐工件和圓棒通過(guò)液壓進(jìn)行組裝；⑤組裝后的橫撐和圓棒通過(guò)輸送線輸送到打釘工位，完成打釘工序；⑥打釘組裝好的成品工件通過(guò)輸送線輸送到抓取工位，懸臂抓手可旋轉(zhuǎn)90°，懸臂一端有模組帶動(dòng)抓手可上下移動(dòng)，將組裝好的底板工件進(jìn)行碼垛。

2 組裝線系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)以上嬰兒床側(cè)扇組裝過(guò)程分析，可將其組裝過(guò)程分為上料打膠區(qū)、落料壓棒區(qū)、打釘區(qū)、卸料區(qū)、傳送區(qū)5 個(gè)單元，其中傳送區(qū)用于其他4 個(gè)分區(qū)的搬運(yùn)任務(wù)[1-2]。每一件合格產(chǎn)品都需要經(jīng)過(guò)4 個(gè)分區(qū)的工序來(lái)完成，各個(gè)分區(qū)之間相互獨(dú)立，但同時(shí)都與傳送區(qū)建立聯(lián)系，各個(gè)分區(qū)的工序時(shí)間不同，由傳送區(qū)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，只有各個(gè)工序都完成了各自的生產(chǎn)任務(wù)，傳送區(qū)才執(zhí)行傳送任務(wù)（圖1）。

圖1 側(cè)扇組裝線功能分區(qū)關(guān)系

3 嬰兒床側(cè)扇組裝線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由PLC、HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）觸摸屏、輸入單元和輸出單元構(gòu)成，其中輸入單元包括操作按鈕、氣缸傳感器、物料檢測(cè)傳感器、位置傳感器等；輸出單元包括信號(hào)指示燈、氣缸電磁閥、伺服傳送機(jī)構(gòu)等器件。觸摸屏可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的手動(dòng)操作、信號(hào)監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置等功能，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[3]。PLC 作為核心控制器，負(fù)責(zé)采集各路按鈕信號(hào)和傳感器信號(hào)，同時(shí)接收觸摸屏設(shè)定的參數(shù)和指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷，執(zhí)行各個(gè)工藝流程，輸出控制信號(hào)，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)和氣缸機(jī)構(gòu)（圖2）。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

文中傳送區(qū)的傳送帶采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位控制，卸料區(qū)的卸料機(jī)構(gòu)也采用伺服系統(tǒng)控制，由伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手將成品物料放到指定位置。對(duì)于伺服系統(tǒng)的控制，一般采用脈沖輸出方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，PLC 應(yīng)選用晶體管輸出方式。系統(tǒng)中的氣缸信號(hào)和傳感器信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，需要開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)數(shù)96 點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)72 點(diǎn)，考慮15%的裕量。選擇歐姆龍CP1H PLC，型號(hào)為CH1P-X40DT-D，為晶體管輸出方式，其自帶24 路開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)和16 路開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，再配備4 個(gè)CP1W-40EDT 擴(kuò)展模塊，每個(gè)模塊包含24 路輸入信號(hào)和16 路輸出，可以滿足控制要求[4]。

3.2 氣動(dòng)回路選型

本文采用的是三位四通電磁閥，中間位為保持型，這樣可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的換向，在停止?fàn)顟B(tài)或斷電狀態(tài)保持氣缸原有狀態(tài)不變。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC 程序設(shè)計(jì)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)兩個(gè)部分：PLC 程序包括初始化控制程序、上料注膠工藝程序、落料壓棒工藝程序、打釘工藝程序、卸料工藝程序、傳送工藝程序、手動(dòng)控制程序、輸入輸出程序等；觸摸屏人機(jī)界面程序包括監(jiān)控界面、手動(dòng)操作界面、參數(shù)設(shè)定界面、工藝流程界面等。

4.1 初始化程序設(shè)計(jì)

初始化程序如下：系統(tǒng)上電后，卸料伺服電機(jī)先復(fù)位，回原點(diǎn)，以原點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)定位控制，完成取料和落料工藝過(guò)程（圖3）。伺服電機(jī)回位后，各個(gè)氣缸復(fù)位，卸料機(jī)械手臂伸出，準(zhǔn)備取料。

4.2 主程序設(shè)計(jì)

嬰兒床側(cè)扇組裝過(guò)程由上料注膠、落料壓棒、打釘和卸料4 個(gè)工藝過(guò)程組成。由于4 個(gè)工序的工作過(guò)程不同，工作時(shí)間也不同，有長(zhǎng)有短，而4 個(gè)工序之間的銜接由一條傳送帶機(jī)構(gòu)完成，因此程序設(shè)計(jì)上，需要考慮到整體節(jié)拍，即只有每道工藝都完成了當(dāng)前任務(wù)情況下，才可以執(zhí)行傳送任務(wù)，時(shí)間上，工作過(guò)程少的工序要等待工作過(guò)程多的工序。其中，打釘工序工作過(guò)程最少，速度也最快；卸料工序雖然復(fù)雜，但只需要將物料移走就不影響傳送帶運(yùn)行，也不影響其他工序工作，故而卸料工序時(shí)間也較短。

主程序工藝流程如圖4 所示：第一個(gè)工件上料注膠完成后，因?yàn)楹笮蚬の簧蠜](méi)有工件，不影響整體工藝，可直接觸發(fā)傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)行；第二個(gè)工件在第一工位上進(jìn)行上料注膠工藝過(guò)程中，同時(shí)第一個(gè)工件在第二工位上開(kāi)始落料壓棒工藝過(guò)程，第三和第四工位上沒(méi)有物料，只需考慮前兩個(gè)工序，由于兩個(gè)工序的時(shí)間不同，因此前兩道工序全部完成時(shí)，才可觸發(fā)觸發(fā)傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)行；加工第三個(gè)工件時(shí)，前三道工位上都有工件，因此只有這三道工序全部完成時(shí)，才可觸發(fā)傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

由于第四工位只是完成卸料過(guò)程，只要傳送帶處于靜止?fàn)顟B(tài)就可以執(zhí)行卸料工藝過(guò)程，因此卸料工藝過(guò)程與前三道工序過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，可不考慮。傳送工藝過(guò)程與4 個(gè)組裝工藝相互聯(lián)系，只要傳送帶運(yùn)行，4 個(gè)生產(chǎn)工序就必須停止。因此，只有當(dāng)物料個(gè)數(shù)大于3 時(shí)才開(kāi)始考慮各個(gè)工藝的總體節(jié)拍。

4.3 卸料工藝程序設(shè)計(jì)

第三工序（打釘工序）完成后，傳送帶將物料傳送到第四工位（卸料工位）。由PLC發(fā)出卸料信號(hào)，卸料機(jī)構(gòu)上的手指缸打開(kāi)，開(kāi)到位后卸料伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指缸下降到指定位置（在觸摸屏上預(yù)先設(shè)定好），準(zhǔn)備取料；到位后手指缸關(guān)閉，將物料夾緊，然后卸料電機(jī)上升回位；到位后旋轉(zhuǎn)臂氣缸打開(kāi)，將物料旋轉(zhuǎn)90°，即成品物料區(qū)的上方，卸料機(jī)構(gòu)下降到卸料位置；到位后手指缸打開(kāi)，卸料完成，卸料伺服機(jī)構(gòu)再次回位；到位后旋轉(zhuǎn)臂關(guān)，準(zhǔn)備再次取料，卸料工藝完成。

卸料位置隨著成品物料的增加而升高，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的位置，其位置高度如式（1）所示。

其中，Sp為當(dāng)前工件放置位置高度，n 為當(dāng)前工件個(gè)數(shù)，ht為工件厚度，h0為起始工件位置高度。

4.4 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏人機(jī)界面主要用來(lái)控制PLC 實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作、運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控等功能，觸摸屏監(jiān)控畫面如圖5 所示。

圖5 觸摸屏操作界面

（1）主畫面主要包含系統(tǒng)工作模式切換按鈕、功能畫面切換按鈕、工件計(jì)數(shù)、工作狀態(tài)指示等功能[5-6]。

（2）參數(shù)設(shè)置畫面主要包含傳送帶電機(jī)和卸料電機(jī)的速度設(shè)定、工件數(shù)量設(shè)定、運(yùn)行位置設(shè)定、打釘時(shí)間設(shè)定等。

5 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了一種基于PLC 控制的嬰兒床側(cè)扇組裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該生產(chǎn)線已經(jīng)在生產(chǎn)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明，該生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸誤差率控制在1 mm 以內(nèi)，產(chǎn)品合格率控制在約98%，生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)任務(wù)。該生產(chǎn)線的引入，不僅為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約了人力和物力投入，還提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，具有較好的實(shí)用價(jià)值。自動(dòng)化設(shè)備的引入，將提高產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)約生產(chǎn)成本，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看將會(huì)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。