壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陸春元，金芬，吉孫佳，高燕，許海

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104;2.蘇州微研有限公司，江蘇蘇州 215006)

壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陸春元1，金芬1，吉孫佳2，高燕2，許海1

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104;2.蘇州微研有限公司，江蘇蘇州 215006)

根據(jù)壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)生產(chǎn)流程和自動(dòng)裝配線(xiàn)的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和通信方案，并在此基礎(chǔ)上完成了自動(dòng)裝配線(xiàn)的PLC、人機(jī)界面控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)及可編程電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。經(jīng)運(yùn)行調(diào)試，該自動(dòng)裝配線(xiàn)能可靠運(yùn)行，提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

壓力表機(jī)芯;裝配生產(chǎn)線(xiàn);可編程控制器;人機(jī)界面

壓力表 (pressure gauge)是指以彈性元件為敏感元件，測(cè)量并指示高于環(huán)境壓力的儀表［1］。壓力表的應(yīng)用極為普遍，它幾乎遍及所有的工業(yè)流程和科研領(lǐng)域。在熱力管網(wǎng)、油氣傳輸、供水供氣系統(tǒng)、車(chē)輛維修保養(yǎng)廠(chǎng)店等領(lǐng)域隨處可見(jiàn)。尤其在工業(yè)過(guò)程控制與技術(shù)測(cè)量過(guò)程中，由于機(jī)械式壓力表的彈性敏感元件具有很高的機(jī)械強(qiáng)度以及生產(chǎn)方便等特性，使得機(jī)械式壓力表得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。壓力表機(jī)芯是壓力表專(zhuān)用的傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，由軸齒輪、扇形齒輪、游絲以及包括上、下夾板和支柱構(gòu)成的機(jī)架等組成，如圖1所示［2］。壓力表機(jī)芯是壓力表核心部件，其裝配品質(zhì)的好壞直接影響壓力表示值的精度等級(jí)。壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的研制與應(yīng)用可有效提高壓力表機(jī)芯裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高裝配生產(chǎn)的效率，降低生產(chǎn)成本。

圖1 壓力表機(jī)芯

1 壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的組成及流程

根據(jù)壓力表機(jī)芯的生產(chǎn)工藝，該生產(chǎn)線(xiàn)主要由下夾板支柱鉚壓及供給、下夾板供料檢測(cè)、扇形齒輪部件供給、扇形齒輪部件檢測(cè)等10道工序組成。生產(chǎn)流程如圖2所示。

如圖3所示，該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)由完成各裝配工序的工作單元、主道傳動(dòng)鏈、輔道傳動(dòng)鏈和左右輸送模塊用電缸等組成，呈環(huán)形分布，其中上述提到的10道裝配工序在主道傳動(dòng)鏈17個(gè)工位中的2、3、5、6、9、11、12、15、16、17工位上依次完成。在整條生產(chǎn)線(xiàn)中，各個(gè)工作單元具有極高的獨(dú)立性，能很好地完成該工序的裝配任務(wù);同時(shí)，各個(gè)工序之間具有很好的協(xié)調(diào)性，在各個(gè)工作單元完成各自的裝配任務(wù)后能夠把待裝配部分順利地通過(guò)主道傳動(dòng)鏈傳送到下一個(gè)工序，進(jìn)行進(jìn)一步的裝配。部分工序的裝配完成后，設(shè)計(jì)有檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)裝配是否成功，剔除不合格的裝配品。

圖3 壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)結(jié)構(gòu)布局圖［3］

2 系統(tǒng)的控制要求及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的控制要求

(1)運(yùn)行方式。該控制系統(tǒng)提供3種運(yùn)行方式，分別是全線(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行方式、單周期運(yùn)行方式和手動(dòng)運(yùn)行方式。正常工作時(shí)系統(tǒng)在自動(dòng)方式下運(yùn)行，單周期運(yùn)行方式和手動(dòng)運(yùn)行方式是在設(shè)備調(diào)試和檢修階段使用。

(2)急停處理。設(shè)備設(shè)置急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下急停按鈕，所有正在進(jìn)行動(dòng)作的設(shè)備全部停止。緊急情況排除之后，可以使用“啟動(dòng)”重新啟動(dòng)。

(3)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與信息顯示。壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的操作、維護(hù)有不同的登錄口令和權(quán)限，機(jī)芯加工定額等參數(shù)需在設(shè)備運(yùn)行前預(yù)先通過(guò)觸摸屏設(shè)置輸入。每日的裝配產(chǎn)量、良品率等在觸摸屏界面上顯示。

(4)運(yùn)行效率。裝配線(xiàn)要每小時(shí)裝配壓力表機(jī)芯1 200件以上。

(5)故障報(bào)警。系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)工序的運(yùn)行是否正常，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)壓力不足、工位干涉、模塊干涉、模塊缺料等現(xiàn)象時(shí)暫停系統(tǒng)運(yùn)行，并在觸摸屏界面顯示出來(lái)，同時(shí)紅色報(bào)警燈變亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。故障解除后按啟動(dòng)按鈕生產(chǎn)線(xiàn)繼續(xù)運(yùn)行。

(6)工作單元獨(dú)立運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的6個(gè)工作單元中，下夾板支柱鉚壓及供給單元、扇形齒輪部件供給單元、軸齒輪部件供給單元、上夾板供給單元和上夾板真鉚壓?jiǎn)卧獧C(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，動(dòng)作步驟較多，需采取獨(dú)立控制、運(yùn)行以方便系統(tǒng)調(diào)試。上夾板預(yù)鉚壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作單一，可并入主道傳動(dòng)鏈一并控制。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于PLC具有設(shè)計(jì)、安裝、接線(xiàn)、調(diào)試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，在工控領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［4］，所以采用PLC作為裝配線(xiàn)的主控制器，能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)中的5個(gè)裝配工作單元、2條傳動(dòng)鏈分別由7臺(tái)三菱FX系列PLC控制，其中上夾板預(yù)鉚壓?jiǎn)卧獧z測(cè)動(dòng)作較簡(jiǎn)單，且固定在主道傳動(dòng)鏈機(jī)架上，因此與主道傳動(dòng)鏈共用1臺(tái)PLC控制。整個(gè)裝配線(xiàn)長(zhǎng)度在9 m左右，各裝配單元之間相互獨(dú)立，只與主道傳動(dòng)鏈間有任務(wù)請(qǐng)求和協(xié)同關(guān)系，因此各裝配單元控制PLC與主道控制PLC之間需要建立通信。三菱PLC常用的通信模式有CC-LINK模式和485模式，考慮到485通信模式成本較低，且當(dāng)前單元間的通信距離在50 m范圍內(nèi)，485通信模式的可靠性能滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需要［5］。因此，壓力表機(jī)芯自動(dòng)組裝線(xiàn)各單元間采用了485通信模式，如圖4所示。

圖4 壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)PLC通信方案［3］

壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的控制程序包含三部分程序，分別是控制系統(tǒng)壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)各裝配工作單元、主道傳動(dòng)鏈和輔道傳動(dòng)鏈控制PLC的輸入信號(hào)主要是控制系統(tǒng)啟停的主令開(kāi)關(guān)，作位置檢測(cè)、工件有無(wú)檢測(cè)的光電傳感器、磁性開(kāi)關(guān);PLC輸出控制對(duì)象主要是實(shí)現(xiàn)氣缸、真空吸盤(pán)動(dòng)作的電磁閥，控制電機(jī)工作的接觸器、控制驅(qū)動(dòng)器等。另外，由于PLC自身不具備人機(jī)交互功能，而控制系統(tǒng)工藝參數(shù)較多，需要人機(jī)交互時(shí)，使用具有觸摸操作功能的觸摸屏是一種很好的選擇［6］。壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)采用昆侖通態(tài)MCGSE TPC1062KX彩色觸摸屏，用于執(zhí)行指令輸入、手/自動(dòng)控制切換、參數(shù)設(shè)置、裝配產(chǎn)量與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控畫(huà)面顯示以及故障報(bào)警顯示等。該生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的控制程序包含三部分程序，分別是控制系統(tǒng)整體運(yùn)行的PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換的人機(jī)界面程序和實(shí)現(xiàn)電缸軌跡控制、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的電機(jī)控制程序。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)表述，系統(tǒng)總共采用了7臺(tái)PLC，其中控制主道傳動(dòng)鏈運(yùn)行的PLC為主站，其余各單元PLC為從站。開(kāi)發(fā)壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)的最主要目的是為了提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)成本。該自動(dòng)裝配線(xiàn)的各裝配工作單元間既有相互對(duì)立性，又在產(chǎn)品裝配過(guò)程中環(huán)環(huán)相扣，所以采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路可使控制程序結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，可讀性好，修改程序方便，便于實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行監(jiān)控。在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上的裝配過(guò)程主要是順序邏輯控制，采用三菱PLC的移位指令SFTL能清晰地表達(dá)動(dòng)作狀態(tài)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制。另外，由于該自動(dòng)裝配線(xiàn)各工作單元的裝配工序較多，為達(dá)到系統(tǒng)每小時(shí)裝配壓力表機(jī)芯1200件以上的效率控制要求，各主道傳動(dòng)鏈與各工作單元、各工作單元內(nèi)部在保證系統(tǒng)不發(fā)生機(jī)械干涉的情況下都采用并行狀態(tài)流程，以縮短系統(tǒng)裝配節(jié)拍時(shí)間。

(1)主站485通信程序。三菱PLC485通信在硬件上需要在PLC主機(jī)上加裝FX2N-485-BD通信擴(kuò)展板，在程序起始位置編寫(xiě)相應(yīng)的通信程序。對(duì)于主站通信程序，需要在相應(yīng)的特殊數(shù)據(jù)寄存器里寫(xiě)入從站數(shù)量、通信模式、刷新次數(shù)和通信時(shí)間，同時(shí)在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8176寫(xiě)入K0，表明主站身份。各從站PLC程序在起始位置只需編寫(xiě)一條表明從站號(hào)的通信程序。主站PLC通信程序如圖6所示。

圖6 自動(dòng)裝配線(xiàn)主站PLC通信程序

(2)自動(dòng)運(yùn)行子程序。整個(gè)自動(dòng)裝配線(xiàn)流程圖如圖7所示。在主傳動(dòng)鏈運(yùn)行254 mm到位后，通過(guò)左輸送電缸把活動(dòng)模塊從輔道傳動(dòng)鏈傳送至主道傳動(dòng)鏈工位 1;工位17的活動(dòng)模塊由右將電缸輸送到上夾板真鉚壓抓取位置或次品處理位置;原來(lái)主道傳動(dòng)鏈上已經(jīng)存在的活動(dòng)模塊隨主道傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)移至后一工位。各裝配工作單元根據(jù)檢測(cè)工位檢測(cè)的信息，決定是否向主道傳動(dòng)鏈活動(dòng)模塊供料。主道傳動(dòng)鏈及各裝配工作單元開(kāi)始時(shí)都獨(dú)立工作，主道傳動(dòng)鏈運(yùn)行到位后，其控制PLC向各裝配工作單元PLC發(fā)出請(qǐng)求供料申請(qǐng)，各裝配工作單元先期動(dòng)作完成后處于待命狀態(tài)，在接到主站PLC請(qǐng)求供料信號(hào)后向活動(dòng)模塊供料，供料完成后向主站PLC發(fā)出供料結(jié)束信號(hào)，主道傳動(dòng)鏈和各裝配工作單元開(kāi)始新的動(dòng)作周期。

圖7 自動(dòng)裝配線(xiàn)PLC控制流程圖

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

MCGSE人機(jī)界面組態(tài)軟件提供了多種控制器件庫(kù)、圖形控件和功能組件，通過(guò)組態(tài)出的各種顯示和控制功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當(dāng)前過(guò)程值及故障的可視化。利用人機(jī)界面操作監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄、存儲(chǔ)、處理，從而滿(mǎn)足各種監(jiān)控要求［6］。

壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)采用昆侖通態(tài)MCGS TPC1062KX彩色觸摸屏，用于執(zhí)行指令輸入、手自動(dòng)控制切換、參數(shù)設(shè)置、裝配產(chǎn)量與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控畫(huà)面顯示以及故障原因顯示等，如圖8所示。將觸摸屏畫(huà)面使用專(zhuān)用軟件在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)完成后，再通過(guò)計(jì)算機(jī)的RS232串行通信口下載到觸摸屏［7］。PLC對(duì)觸摸屏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)，達(dá)到兩者之間的信息交互。

圖8 F4001型壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)主界面

3.3 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)共用到了5類(lèi)電機(jī)，分別是鉚壓用普通三相異步電機(jī)、輔道傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)用變頻電機(jī)、主道傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)、左右輸送模塊用電缸和下夾板支柱鉚壓及供給單元翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)。鉚壓用普通三相電機(jī)只需PLC輸出控制交流接觸器線(xiàn)圈即可;變頻電機(jī)由三菱FR-E740變頻器驅(qū)動(dòng)，PLC輸出通過(guò)選通變頻器“正轉(zhuǎn)啟動(dòng)STF”、“高速RH”和“中速RM”端子實(shí)現(xiàn)速度切換;主道傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)控制程序通過(guò)三菱FX1N PLC定位指令實(shí)現(xiàn)。左右輸送模塊用電缸采用SMC株式會(huì)社LEC系列電缸，該電缸可采用絕對(duì)位移控制和相對(duì)位移控制，其控制程序可在ACTController軟件環(huán)境下編寫(xiě)并下載至電缸驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器可存儲(chǔ)64步程序，PLC通過(guò)選通電缸驅(qū)動(dòng)器“啟動(dòng)”、“程序步選擇”端子信號(hào)調(diào)用相應(yīng)的電缸控制程序;翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)選用日本ORIENTAL株式會(huì)社ASC系列步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)調(diào)速范圍大，控制精度高。可通過(guò)計(jì)算機(jī)程序→附件→通信→超級(jí)終端編寫(xiě)步進(jìn)電機(jī)控制程序并下載至EMP401控制器中，圖9所示為步進(jìn)電機(jī)控制程序。EMP401控制器中可存儲(chǔ)32個(gè)電機(jī)控制程序。通過(guò)EMP401控制器來(lái)控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)ASC系列步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，PLC只需給 EMP401控制器“啟動(dòng)”、“程序步選擇”端子選通信號(hào)即可調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)控制程序。

圖9 步進(jìn)電機(jī)控制程序

4 結(jié)論

可編程控制器 (PLC)的高可靠性和抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性;觸摸屏作為人機(jī)接口界面，提供了良好的人機(jī)操作界面。可編程控制器 (PLC)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)，保證了壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)控制系統(tǒng)的可操作性，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的操作性及靈活性，提供了完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。可編程控制電機(jī)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了PLC插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的不足，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的精度。該自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)已在企業(yè)投入使用，運(yùn)行效果很好。

［1］全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì).壓力表［OL］.http://www.cnctst.gov.cn/index.jsp.

［2］機(jī)械工程名詞審定委員會(huì).機(jī)械工程名詞3:壓力表機(jī)芯［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［3］陸春元，繆玉芳，吉孫佳，等.壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(12):145－148.

［4］姜帆，楊振宇，何佳兵.自動(dòng)化裝配設(shè)備的總體設(shè)計(jì)［J］，機(jī)電工程技術(shù)，2011，40(7):131 －133.

［5］李紹炎，鐘健，熊偉棠.自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理及節(jié)拍優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7(1):22 －24，41.

［6］崔劍平，趙振，王秋敏.PLC和觸摸屏在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007，8(4):160 －161.

［7］嚴(yán)盈富.監(jiān)考組態(tài)軟件與PLC入門(mén)［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

Design of Control System of the Automatic Assembly Line for Core of Pressure Gauge

LU Chunyuan1，JIN Fen1，JISunjia2，GAO Yan2，XU Hai1
(1.Mechatronics Engineering Department，Suzhou Vocational University，Suzhou Jiangsu 215104，China;2.Suzhou Micro Research Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215006，China)

According to the pressure gauge core automatic assembly line production process and system control requirements，the control system hardware structure and communication solution of automatic assembly line for core of pressure gaugewere designed.On the basis of automatic assembly line hardware structure，the control system based on PLC，HMI and motor control procedures were discussed and developed.After debugging，the line can be operated reliably，the quality and production efficiency of product assembly are improved.

Core of pressure gauge;Assembly line;PLC;HMI

TP29

B

1001－3881(2014)10－190－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.058

圖2 壓力表機(jī)芯自動(dòng)裝配線(xiàn)生產(chǎn)流程

2013－04－26 基金項(xiàng)目:蘇州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究課題 (SYG201040) 作者簡(jiǎn)介:陸春元 (1979—)，男，工程碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)電控制。E－mail:lcy@jssvc.edu.cn。