線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 洪， 高 威*， 吉 華

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122；2.江南大學(xué) 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無(wú)錫 214122；3.無(wú)錫愛(ài)思通科技有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214112)

近年來(lái)，我國(guó)家電、汽車等行業(yè)迅速發(fā)展，使線束市場(chǎng)需求以每年超過(guò)20%的速度增長(zhǎng)。在此背景下中國(guó)的線束產(chǎn)業(yè)規(guī)模和生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量均在急劇增長(zhǎng)，為電纜線束產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與壯大提供了土壤，也給剝線機(jī)等線束加工設(shè)備提供了發(fā)展機(jī)遇[1]。

為解決新能源汽車領(lǐng)域的高壓線束依賴傳統(tǒng)手工加工，以及現(xiàn)有設(shè)備自動(dòng)化水平不高、加工效率低等問(wèn)題，課題組研發(fā)了一款新的線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線，采用PLC實(shí)現(xiàn)線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線的自動(dòng)控制[2-4]，通過(guò)程序指令進(jìn)行控制，運(yùn)行速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度定位及程序執(zhí)行過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)方便[5-8]。

1 線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成

線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線的研發(fā)是為了實(shí)現(xiàn)新能源汽車高壓線束加工的無(wú)人化、智能化。線束智能加工設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括放卷機(jī)、放線架、掃滑石粉單元、激光打碼單元、切線機(jī)和下線單元6個(gè)模塊。各部分的功能如下：

1) 放卷機(jī)，位于線盤存放處，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)左、右2個(gè)夾爪夾持導(dǎo)線滾筒，提升馬達(dá)通過(guò)提升吊繩來(lái)提升導(dǎo)線滾筒。導(dǎo)線滾筒的右側(cè)夾爪連接著放卷電機(jī)，放卷電機(jī)由變頻器控制速度，根據(jù)切線機(jī)的用線需求控制放線速度。通過(guò)左、右電機(jī)和上、下電機(jī)實(shí)現(xiàn)線盤在放卷機(jī)中的位置調(diào)節(jié)，以便操作人員對(duì)線盤的更換。放卷機(jī)在手動(dòng)穿線時(shí)需要調(diào)整到手動(dòng)模式，在自動(dòng)加工時(shí)則需要調(diào)整到自動(dòng)模式。

2) 放線架，是輔助放卷機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡送線的裝置，包括過(guò)3個(gè)過(guò)線輪及擺桿。擺桿在擺桿氣缸的作用下保持恒定的推力，當(dāng)前方切線機(jī)的用線速度小于放卷機(jī)的速度，即放線速度快于用線速度時(shí)，擺桿在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，擺桿末端的角度傳感器輸出信號(hào)給PLC輸入端，PLC控制變頻器放慢放線速度；反之，當(dāng)前方切線機(jī)用線速度大于放線速度，即放線速度慢于切線速度時(shí)，擺桿會(huì)在導(dǎo)線的拉力作用下向上運(yùn)動(dòng)，擺桿末端的角度傳感器輸出信號(hào)給PLC輸入端，PLC控制變頻器加快放線速度，以滿足前方切線機(jī)用線需求。

3) 掃滑石粉單元，由2排可調(diào)節(jié)距離的旋轉(zhuǎn)滾輪組成，可以完成對(duì)線束上滑石粉的清掃，處于持續(xù)工作狀態(tài)。

4) 激光打碼單元，通過(guò)鐳揚(yáng)激光打碼設(shè)備產(chǎn)生激光在線束上的指定位置打上二維碼。

5) 切線機(jī)，可實(shí)現(xiàn)線束的定長(zhǎng)切線、退外皮和輸送等功能，可以滿足多種工藝下的線束加工。

6) 下線單元，是導(dǎo)線裁切后收集導(dǎo)線的輔助裝置。當(dāng)切線機(jī)將導(dǎo)線首段輸送到收線槽皮帶后，若皮帶運(yùn)行線速度大于切線機(jī)送線速度，導(dǎo)線隨皮帶向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)切線機(jī)將導(dǎo)線切斷后，切線機(jī)上的導(dǎo)線夾爪夾持導(dǎo)線尾部，下線單元的取線夾爪抓住導(dǎo)線向正前方運(yùn)動(dòng)，在取線夾爪的帶動(dòng)下導(dǎo)線從皮帶上脫落，放置于上部線槽內(nèi)，當(dāng)加工導(dǎo)線數(shù)量達(dá)到10根后，上部線槽反轉(zhuǎn)，加工好的10根導(dǎo)線落入下部線槽。

圖 1 線束智能加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)Figure 1 Overall structure of wire harness intelligent processing production

線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線的核心模塊為放卷機(jī)和切線機(jī)。放卷機(jī)采用電動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)線盤夾緊和提升，最大載質(zhì)量為1 000 kg，線盤直徑為800 mm、寬度為500 mm、孔徑為83 mm，適用于10～70 mm2導(dǎo)線。切線機(jī)可以對(duì)動(dòng)力線、塑料線、特氟龍和玻璃線材等進(jìn)行加工，加工線束的截面積為0.1～150.0 mm2，線束切割長(zhǎng)度L為80～100 000 mm，切割公差為±(0.2±0.002*L) mm，剝線長(zhǎng)度為0.1～200.0 mm。

2 線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線控制流程與需求分析

線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)以PLC作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化控制[9-12]。在首次加工時(shí)，需要進(jìn)行人工穿線，穿線流程如圖2所示。穿線完成后可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的自動(dòng)化生產(chǎn)，加工具體控制流程如圖3所示，圖中950 mm為打標(biāo)到切刀的距離。

圖 2 穿線流程圖Figure 2 Flow chart of threading

圖 3 加工控制流程圖Figure 3 Flow chart of process control

對(duì)生產(chǎn)線功能需求以及加工過(guò)程進(jìn)行分析，控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

1) 有多種模式可供選擇，如工作模式、多循環(huán)模式、慢速模式和手動(dòng)模式等。

2) 可針對(duì)線束種類和加工要求存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的加工工藝參數(shù)。

3) 系統(tǒng)應(yīng)具有較高的可靠性?？刂葡到y(tǒng)中應(yīng)配有報(bào)警程序，設(shè)備上安裝有報(bào)警指示燈。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，觸摸屏顯示報(bào)警信息且報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器蜂鳴。

4) 可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)。觸摸屏顯示界面顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)計(jì)劃以及線束加工方式等系統(tǒng)參數(shù)。

5) 系統(tǒng)應(yīng)具有較高的定位精度?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具備反饋調(diào)節(jié)和誤差補(bǔ)償能力，以確保系統(tǒng)具有較高的精度。

6) 系統(tǒng)應(yīng)便于工人操作，具有自動(dòng)啟停、一鍵急停等功能。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為滿足生產(chǎn)線的功能需求，實(shí)現(xiàn)線束智能化、自動(dòng)化加工，該系統(tǒng)硬件主要包括PLC控制器、伺服電機(jī)和傳感器等。以FP0HC32ET型PLC為控制系統(tǒng)的核心，一方面采集并處理設(shè)備的各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)，以達(dá)到對(duì)伺服電機(jī)及氣缸運(yùn)動(dòng)的精確控制；另一方面通過(guò)以太網(wǎng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給工業(yè)計(jì)算機(jī)，并在觸摸屏上顯示，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure diagram of hardware system

課題組選取松下FP0HC32ET型PLC作為主控制器，根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際需求，外擴(kuò)1個(gè)FP0RA42的FP0R模擬量輸入/輸出單元、2個(gè)FP0HM8N的RTEX 8軸型位置控制單元、1個(gè)FP0HXY64D2T的FP0H 擴(kuò)展I/O單元和1個(gè)FP0RE32T的FP0R擴(kuò)展單元，配上FP0HCCS1M1的FP0H 通信插卡。

放卷機(jī)設(shè)置3臺(tái)三相交流異步電機(jī)，電機(jī)配有FR-A840系列變頻器；切線機(jī)中的9臺(tái)伺服電機(jī)和激光打碼機(jī)中2臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC相連；系統(tǒng)通過(guò)繼電器與電磁閥控制氣缸的運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)選用PPC10J101W系列的工業(yè)計(jì)算機(jī)和觸摸屏；系統(tǒng)中數(shù)字量信號(hào)主要包括各類型操作按鈕、磁性開(kāi)關(guān)和空氣開(kāi)關(guān)等，模擬量信號(hào)來(lái)自角度傳感器和電位器等。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

課題組依據(jù)控制系統(tǒng)功能和硬件組成進(jìn)行了控制器和觸摸屏界面設(shè)計(jì)[13-14]。系統(tǒng)主程序加工流程如圖5所示。

圖 5 主程序流程圖Figure 5 Design flowchart of main program

4.1 控制器設(shè)計(jì)

線束自動(dòng)加工生產(chǎn)線以PLC作為核心控制器，由FP0HM8N RTEX 8軸型位置控制單元控制伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)編碼器記錄線束實(shí)際位置，并與電機(jī)的行進(jìn)距離對(duì)比，形成反饋進(jìn)行補(bǔ)償。課題組通過(guò)FP0HXY64D2T FP0H 擴(kuò)展I/O單元實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各傳感器信號(hào)的采集以及電磁閥的控制。課題組通過(guò)AFP0RA42 FP0R模擬量輸入/輸出單元采集角度傳感器、電位器及變頻器的信號(hào)。FP0HC32ET FP0H 控制單元主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和邏輯控制。此外，還可通過(guò)交換機(jī)將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至工業(yè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。

程序設(shè)計(jì)在專用軟件FPWIN-GR7上進(jìn)行。為了便于程序設(shè)計(jì)與后期的維護(hù)，采用模塊化編程，對(duì)每個(gè)電機(jī)、加工模式和設(shè)備模塊進(jìn)行子程序編程，通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)整體的功能。主要的程序模塊如圖6所示。

圖 6 主要的程序模塊Figure 6 Module of main program

4.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面包括運(yùn)行主界面、參數(shù)設(shè)置界面、模式選擇界面、校對(duì)調(diào)試界面、工藝調(diào)試界面、歷史報(bào)警界面、I/O點(diǎn)位界面、權(quán)限登錄界面和權(quán)限管理頁(yè)面。 主界面主要顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備參數(shù)、當(dāng)前生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)計(jì)劃、線束加工方式以及報(bào)警信息等。觸摸屏主界面如圖7所示。

圖 7 觸摸屏主界面圖Figure 7 Main interface of touch screen

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述研究基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)搭建，并進(jìn)行線束智能加工的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新機(jī)在生產(chǎn)試運(yùn)行過(guò)程中并未發(fā)生零部件變形、加工異形等現(xiàn)象，設(shè)備可以正常運(yùn)行，驗(yàn)證了上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。設(shè)備實(shí)物和控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖8和9所示。用該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)生產(chǎn)200根線束，且加工誤差在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，節(jié)約大量的人力，且產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)超人工。

圖 8 設(shè)備實(shí)物Figure 8 Physical device

圖 9 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)Figure 9 Hardware platform of control system

6 結(jié)語(yǔ)

課題組以一條完整的生產(chǎn)線為研究對(duì)象，以PLC為的核心構(gòu)建控制系統(tǒng)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線束智能加工生產(chǎn)線的有效控制。該生產(chǎn)線具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、加工過(guò)程無(wú)人化、可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加工狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等功能，對(duì)其他的線束加工設(shè)備設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。該控制系統(tǒng)尚缺乏實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的反饋系統(tǒng)，不具備參數(shù)的自我調(diào)節(jié)能力，這是今后需要繼續(xù)改進(jìn)的方面。