鋼筋連接套筒智能檢測生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

張嘉鈺， 楊碩， 王會飛， 吳朋， 常宏杰， ?；⒗?/p>

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北石家莊 050018； 2.河北易達(dá)鋼筋連接技術(shù)有限公司， 河北石家莊 052160）

0 前言

鋼筋套筒擠壓連接是通過徑向擠壓力使連接件鋼套筒產(chǎn)生塑性變形后， 與帶肋鋼筋緊密咬合， 從而傳遞受力的一種連接方式。 鋼筋套筒連接技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展逐漸成熟穩(wěn)定， 成本也不斷降低， 且其具有無污染、 質(zhì)量穩(wěn)定可靠、 適用范圍廣、 操作簡單、 強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點［1－2］， 已經(jīng)在工業(yè)、 民用、 道路、 橋梁、 水工建筑、 海洋工程、 核電工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［3－4］。 但是隨著鋼筋連接套筒的大批量生產(chǎn)， 如何高效、 準(zhǔn)確地檢測套筒的品質(zhì)成為了一個難題。 工業(yè)生產(chǎn)中的檢查、 測量等涉及連續(xù)大批量生產(chǎn)且對外觀質(zhì)量要求非常高， 通常這種高度重復(fù)性的動作依靠人工完成， 在增加了巨大的人工成本和管理成本的同時， 仍然不能保證檢測質(zhì)量［5－6］。

為了提高工件檢測的工作效率和質(zhì)量， 智能檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 智能檢測生產(chǎn)線是利用計算機(jī)取代傳統(tǒng)的手工檢測過程， 具有高效、 集成的特點［7－8］。PLC 技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合可以滿足系統(tǒng)的可靠性、 實時性和可視化要求， 設(shè)計智能化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是企業(yè)提高生產(chǎn)效率的重要手段， 也是確保質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇［9－11］。

鑒于此， 本文作者提出一種以S7?200 Smart 系列PLC 為核心， 使用Smart 1000 IE V3， 人機(jī)界面作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備， 結(jié)合PLC 編程軟件STEP 7、 組態(tài)軟件WinCC flexible Smart V3， 實現(xiàn)基于PLC 的鋼筋連接套筒智能檢測生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 生產(chǎn)線組成與工作原理

鋼筋連接套筒智能檢測生產(chǎn)線外觀如圖1 所示，它集成了套筒上下料裝置、 清掃裝置、 通規(guī)物理檢測裝置、 止規(guī)物理檢測裝置、 高度外徑檢測裝置、 光規(guī)物理檢測裝置、 保護(hù)套上料安裝裝置和回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位裝置， 由中控PLC 集中控制。

套筒上下料裝置完成工件的自動上下料， 清掃裝置對工件進(jìn)行清掃， 通規(guī)、 止規(guī)、 光規(guī)檢測裝置對工件進(jìn)行內(nèi)螺紋檢測， 高度外徑檢測裝置檢測工件的高度和外徑， 保護(hù)套上料安裝裝置進(jìn)行保護(hù)套的上料和安裝， 整個裝置通過回轉(zhuǎn)盤進(jìn)行轉(zhuǎn)位操作。

（1） 上料工位

首先三軸氣缸推動氣動手指夾取物料， 滑臺氣缸橫向左移到達(dá)工位， 隨后三軸氣缸下移到指定位置，氣動手指釋放物料， 隨后各個氣缸恢復(fù)初始態(tài)。

（2） 清掃工位

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動直線模組實現(xiàn)上下進(jìn)給運(yùn)動， 工作期間絲杠直線模組為勻速直線運(yùn)動， 動力頭勻速轉(zhuǎn)動。

（3） 通、 止規(guī)檢測工位

首先氣缸夾緊工件， 伺服電機(jī)驅(qū)動動力頭帶動量具轉(zhuǎn)動， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模組帶動動力頭下移進(jìn)行檢測。 絲杠模組設(shè)置始、 末2 個極限位置的光電開關(guān)，控制通止規(guī)的往復(fù)運(yùn)動距離。

（4） 光規(guī)檢測工位

首先氣缸夾緊工件， 電機(jī)驅(qū)動模組下移， 檢測完后上移。 絲杠模組設(shè)置始、 末2 個極限位置的光電開關(guān)， 控制光規(guī)的往復(fù)運(yùn)動距離。

（5） 高度外徑檢測工位

套筒到達(dá)工位后， 首先氣缸夾緊工件， 同時位移傳感器接觸到工件表面進(jìn)行外徑測量， 穩(wěn)定1 ～2 s，將數(shù)據(jù)儲存起來。 隨后由滑臺氣缸帶動高度測量的位移傳感器下移進(jìn)行測量， 并將數(shù)據(jù)存儲。

（6） 蓋帽工位

震動上料盤將保護(hù)帽運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫?雙軸氣缸帶動真空吸盤完成吸帽并將保護(hù)帽放在套筒上， 壓帽機(jī)構(gòu)由三軸氣缸下壓2 次后恢復(fù)原始位置。

（7） 下料工位

首先三軸氣缸向下移動帶動氣動手指夾取檢測完的物料， 然后三軸氣缸向上移動恢復(fù)原位， 滑臺氣缸橫向右移到達(dá)下料處下料。

（8） 裝袋工位

檢測完畢的套筒由下料抓取氣缸放到平臺料道內(nèi)， 若工件不合格， 剔除氣缸將不合格工件剔除； 若工件無問題， 則激光打標(biāo)機(jī)打標(biāo)并將套筒推入裝袋機(jī)平臺。 當(dāng)裝袋機(jī)平臺內(nèi)套筒數(shù)量達(dá)到裝袋要求的數(shù)量時， 裝袋機(jī)進(jìn)給氣缸前進(jìn)， 完成裝袋。

（9） 旋轉(zhuǎn)主盤

旋轉(zhuǎn)主盤是各裝配工位的操作平臺， 上面均勻分布有8 個裝配模座。 由異步電機(jī)通過凸輪分割器驅(qū)動主盤旋轉(zhuǎn)， 配合光電開關(guān)， 電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈會自動停止一次， 主盤正好旋轉(zhuǎn)45°， 等各工位完成裝配后， 電機(jī)重新啟動進(jìn)行下一次旋轉(zhuǎn)。

2 氣動系統(tǒng)設(shè)計

在整個設(shè)備中， 大部分工藝動作采用氣動元件實現(xiàn)， 包括對工件進(jìn)行夾持和定位等。 考慮成本、 行程、 負(fù)載和安裝方式等因素， 選取表1 所示的各氣動元件型號。 系統(tǒng)氣動原理如圖2 所示。

表1 氣缸型號Tab.1 Cylinder model

圖2 氣動原理Fig.2 Pneumatic principle

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1 PLC 選型

基于以上工藝過程和控制要求， 考慮到PLC 結(jié)合觸摸屏的控制系統(tǒng)具有較高的可靠性， 操作維護(hù)方便［12－13］， 采用PLC 為底層控制器、 以觸摸屏為人機(jī)界面的控制方案， 其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該系統(tǒng)選用西門子S7?200 Smart 系列PLC 作為主控單元， 其中CPU 模塊選用ST60 和ST30， 共集成有54個數(shù)字量輸入、 36 個數(shù)字量輸出。 選用EM DT32、EM DE16、 AE08 擴(kuò)展模塊， 其中擴(kuò)展模塊AE08 用來接收測量高度和外徑的傳感器信號及通、 止、 光規(guī)工位3 個伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure

3.1.2 傳感器選型

設(shè)備中的傳感器主要用來檢測動作是否到位， 其中氣缸到位檢測選用配套的磁性開關(guān)， 體積小巧， 便于安裝接線。 其他部位到位檢測選用光電開關(guān)， 檢測距離長、 響應(yīng)速度快、 分辨能力高。 選用的各傳感器如表2 所示。

表2 傳感器選型Tab.2 Sensor selection

3.1.3 電機(jī)驅(qū)動器的選型

驅(qū)動器一般通過位置、 速度和力矩3 種方式對電機(jī)進(jìn)行控制， 實現(xiàn)高精度傳動系統(tǒng)定位［14］。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和轉(zhuǎn)矩選擇合適的電機(jī)及配套驅(qū)動器型號， 如表3 所示。

表3 電機(jī)及驅(qū)動器選型Tab.3 Selection of motor and driver

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

PLC 程序利用西門子STEP7?MicroWIN SMART V2.4 軟件編寫， 采用模塊式結(jié)構(gòu)， 除將初始化、 復(fù)位、 手自動運(yùn)行和電機(jī)操作分別編寫成子程序外， 還分別對各個工位進(jìn)行模塊化編寫， 在主程序中按條件調(diào)用。 手動運(yùn)行主要用在檢修和調(diào)試過程中， 可以單獨操作某一電機(jī)或者氣缸， 能夠準(zhǔn)確高效地完成各項動作； 工位運(yùn)行時， 可以單獨操作某一工位， 以便按工位進(jìn)行調(diào)試； 自動運(yùn)行時， 可以實現(xiàn)各氣缸和電機(jī)的順序延時啟停， 使各工位在動作互不干涉的情況下盡可能多地并行工作， 以提高設(shè)備整體運(yùn)行速度。 控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程Fig.4 Control system program design flow

其中， 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制子程序可利用編程軟件自帶的“運(yùn)動控制向?qū)А?工具生成， 此系統(tǒng)中6 個電機(jī)分別由2 個PLC 控制， 其中ST?60 分配清掃模組的步進(jìn)電機(jī)、 通規(guī)模組的步進(jìn)電機(jī)和通規(guī)工位的伺服電機(jī)。 該向?qū)Чぞ呖煞峙銹LC 控制端口， 設(shè)置電機(jī)運(yùn)行的速度、 加速度和工程單位脈沖數(shù)等， 還可根據(jù)所選擇的測量單位設(shè)置行程或者角度， 如圖5 所示。生成的運(yùn)動控制子程序可根據(jù)條件在主程序中調(diào)用，圖6 所示為步進(jìn)電機(jī)手動控制程序和位置控制程序。

圖5 運(yùn)動控制向?qū)ig.5 Motioncontrol wizard： （a） motor distribution； （b）configure motor parameter

圖6 步進(jìn)電機(jī)手動控制程序（a） 和自動控制程序（b）Fig.6 Step motor manual control procedure （a） and automatic control procedure （b）

4 人機(jī)交互界（HMI） 面設(shè)計

人機(jī)交互界面選擇西門子WinCC Flexible SMART V3 組態(tài)軟件開發(fā)， 通過與PLC 通信交換數(shù)據(jù)， 在HMI 中可以對電機(jī)、 氣缸等執(zhí)行器件進(jìn)行控制， 并能實時監(jiān)控系統(tǒng)的各種狀態(tài)［15］。 手動控制畫面中所有組態(tài)按工位進(jìn)行布局， 圖7 （a） 所示為上料工位中的上料氣缸正在運(yùn)行中。 從手動模式切換到自動模式時， 首先進(jìn)入復(fù)位界面對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位， 防止設(shè)備在手動模式下運(yùn)行未歸位而發(fā)生故障。 在自動控制界面中設(shè)置啟動、 停止、 件數(shù)置零和確認(rèn)報警等功能按鈕， 如圖7 （b） 所示。

在設(shè)備發(fā)生故障、 發(fā)出報警信息的同時， 圖中白色的矩形框會變成黃色并持續(xù)閃爍， 同時蜂鳴器會發(fā)出警報， 此時按下“確認(rèn)報警” 按鈕會解除報警。 為方便后續(xù)查看設(shè)備的報警情況， 此系統(tǒng)中設(shè)有報警記錄功能， 通過外接U 盤可以記錄報警記錄， 也可在觸摸屏上設(shè)置報警視圖界面， 如圖7 （c） 所示。

作為一臺實驗設(shè)備， 數(shù)據(jù)的記錄非常必要， 該功能通過觸摸屏的“數(shù)據(jù)記錄” 功能實現(xiàn)。 在組態(tài)軟件“數(shù)據(jù)記錄” 相應(yīng)選項中設(shè)置數(shù)據(jù)采集的記錄方法、 采集模式、 存儲位置等， 在需要記錄的變量的屬性中， 選擇“記錄” 并將已建好的數(shù)據(jù)記錄文件配置在“數(shù)據(jù)記錄” 處， 即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄功能。 設(shè)置數(shù)據(jù)記錄的趨勢視圖， 直觀地反映所加工一批工件的質(zhì)量問題。 為方便將記錄的數(shù)據(jù)永久保存， SmartLine?IE V3 開發(fā)了輸出到U 盤功能， 文件最終以TXT 格式保存到U 盤， 保存的通規(guī)伺服電機(jī)扭矩值生成曲線如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)視圖Fig.8 Data view

5 結(jié)語

為解決現(xiàn)階段實際生產(chǎn)過程中套筒的內(nèi)螺紋及外觀檢測多采用傳統(tǒng)的人工機(jī)械接觸式檢測造成的檢測效率低、 工作強(qiáng)度大等問題， 進(jìn)行了套筒智能檢測生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計。 根據(jù)生產(chǎn)線的工作原理， 分別進(jìn)行了該系統(tǒng)的氣動系統(tǒng)設(shè)計、 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計， 形成了以PLC 為核心、 以觸摸屏為人機(jī)界面的鋼筋連接套筒智能檢測生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。 并將檢測的電機(jī)扭矩值、 套筒高度、 外徑值記錄下來， 方便后續(xù)查看同一批次套筒的加工質(zhì)量。 此外， 將設(shè)備的報警信息加以記錄， 以便進(jìn)行后續(xù)的維護(hù)。 根據(jù)前述設(shè)計方案開發(fā)的設(shè)備樣機(jī)， 經(jīng)反復(fù)調(diào)整優(yōu)化， 可以順利完成全部工藝過程， 運(yùn)行平穩(wěn)可靠，當(dāng)前檢測效率約為8 個/min， 大大提高了檢測效率。