基于PLC的涂膠粘接生產線控制系統設計

楊志方,孫小兵,彭新顯,危必波 (武漢工程大學電氣信息學院,湖北 武漢 430205)

基于PLC的涂膠粘接生產線控制系統設計

楊志方,孫小兵,彭新顯,危必波 (武漢工程大學電氣信息學院,湖北 武漢 430205)

涂膠粘接是工業生產中的重要環節,傳統的手工涂膠存在諸多的問題,采用機器人涂膠成為提高涂膠質量和生產效率的有效途徑。設計了一種基于PLC的涂膠粘接生產線控制系統:涂膠粘接生產線主要由清洗烘干、加強圈和鏡座涂膠粘接、三層常溫高溫固化線、前環涂膠粘接、回轉線、連接體涂膠粘接、鏈傳動線以及視覺系統組成;軟件編程分為Fama View組態編程、PLC編程、觸摸屏編程以及YAMAHA工業機器人編程4個部分。實踐表明,該控制系統能夠滿足實際生產需要,切實改善了生產環境,提高了產品的生產質量。

PLC;涂膠粘接生產線;控制系統

涂膠粘接是工業生產中極其重要的環節,涂膠質量的好壞直接影響產品最終的質量。傳統的涂膠粘接都是采用人工的方法,工人憑借個人的經驗進行涂膠粘接,由于工人熟練程度和生產經驗的差異,膠膜厚度無法穩定控制,難以保證涂膠的質量。另外,生產環境的惡劣以及膠水主要成分的含毒性嚴重影響著工人的身心健康[1-2],加上近年來工業的迅猛發展,出現招工困難,人力成本急劇上升的情況。因此,利用高新技術代替傳統人工涂膠粘接是十分必要的。下面,筆者設計了一種基于S7-200PLC涂膠粘接生產線控制系統,涂膠粘接生產線最主要的功能是實現加強圈、鏡座、前環和連接體4個部件涂膠和粘接的工藝工程,從而實現了涂膠粘接生產線的全自動生產。

1 系統結構設計

涂膠粘接生產線主要由清洗烘干、加強圈和鏡座涂膠粘接、三層常溫高溫固化線、前環涂膠粘接、回轉線、連接體涂膠粘接、鏈傳動線以及視覺系統組成。各個工位與視覺系統協調配合以保證生產線的涂膠粘接工藝。圖1為涂膠粘接生產線控制系統的總體框圖。該控制系統采用主從站分布式控制結構,以一臺工控機和一臺西門子CPU226 PLC作為控制主站,其余生產線附近的控制柜CPU226 PLC作為從站,通過Modbus協議構建總線式拓撲結構網絡。工控機以Fama View組態軟件進行編程,完成對各個從站工位運行狀態的實時監控、故障監控和報警以及編碼的顯示和報表等功能。涂膠粘接以及運輸線從站工位以西門子CPU226 PLC為控制器,結合EM231數字量擴展模塊,通過對亞德客氣缸電磁閥的控制以及步進電機的控制以運輸并裝配需涂膠粘接的各部件,同時控制YAMAHA工業機器人[3-4]的運動以滿足部件涂膠和裝配的需要,其中涂膠機噴膠的啟停通過YAMAHA工業機器人控制器的通用I/O進行控制,同時配置西門子SMART1000觸摸屏,以做到所有氣缸的手動操作、YAMAHA工業機器人的上電初始化、涂膠粘接的自動操作以及氣缸和機器人的故障報警和實時處理。高溫固化從站以西門子CPU224 PLC為控制器,結合EM231數字量和EM235模/數擴展模塊,完成烘箱溫度的采集,并通過西門子SMART1000觸摸屏完成溫度的實時顯示、監控以及報警。視覺系統通過控制器的以太網接口將采集到的部件編碼傳輸到工控機,以完成部件的計數和部件編碼的管理。

2 系統軟件設計

系統軟件設計是系統正?？煽抗ぷ鞯闹匾M成部分,該涂膠粘接生產線軟件編程分為4個部分: Fama View組態編程、PLC編程、觸摸屏編程以及YAMAHA工業機器人編程。

圖1 涂膠粘接生產線控制系統總體框圖

Fama View組態編程主要功能為:①實現對涂膠粘接生產線的運行狀態的監視,顯示全部工藝流程及當前工作概況;②對生產線現場發生的故障進行采集并報警,同時對生產線現場的環境參數進行監測和控制;③將視覺系統采集到的部件編碼數據進行存儲、查詢和打印,使用戶能清晰的了解生產線現場運行的情況并能方便的對涂膠粘接的質量進行分析和記錄。

PLC為生產線現場主控制器,其主要功能為:①完成對數據的處理和運算;②發出指令控制氣缸電磁閥的得失電、步進電機的啟停以及與工業機器人控制器間的數據銜接;③通過SEW伺服電機的通用I/O模式控制伺服電機的啟停和轉速,以達到對現場各部件進行傳輸和裝配的過程。

觸摸屏編程采用西門子HMI軟件Wincc flexible編程,其主要功能為:①實現對各工位氣缸電磁閥得失電的手動操作以及YAMAHA工業機器人的初始化操作;②實時監測各工位的故障并根據故障提示作出相應的處理控制。

工業機器人主要通過YAMAHA單軸、雙軸以及三軸控制器的專用軟件進行編程,以實現涂膠頭涂膠的軌跡運動以及裝配運動時的精確定位。

圖2為加強圈和鏡座、前環和連接體涂膠粘接工位的主程序流程圖。首先,系統上電后進行氣缸初始化和機器人初始化,以確保所有的氣缸以及機械手臂處于正常工作的初始狀態且互不影響。初始化完成后,執行自動運行程序,系統按PLC程序自動完成部件的涂膠粘接工藝。當運行一段時間后,如果出現加強圈和鏡座、前環和連接體部件不足的情況,系統自動暫停,待人工上料完成后緊接暫停前的狀態自動運行。

圖2 加強圈和鏡座、前環和連接體涂膠粘接工位主程序流程圖

3 機器人涂膠系統設計

3.1 機器人

機器人是涂膠運動軌跡控制的核心部分[5],加強圈和鏡座工位的涂膠使用YAMAHA三軸機器人,前環、連接體工位的涂膠使用YAMAHA雙軸機器人。這里以YAMAHA三軸機器人為研究對象,三軸機器人可在X、Y、Z 3個平面自由移動,該系統采用三軸機器人的控制器為RCX240,其支持并口I/O、CC-Link、DeviceNet、Profibus、Ethernet多種類型設備,這里主要采用并口I/O連接實現機器人控制器與PLC之間的數據銜接。通過控制器的專用輸入/輸出口完成機器人的自動運行,圖3為機器人自動模式切換、程序復位與程序執行需滿足的時序。當系統開始程序執行后,三軸機器人按照控制器編寫的程序順序執行完成涂膠的軌跡運動。

圖3 模式切換、程序復位與程序執行時序圖

3.2 涂膠機

涂膠機有自己的獨立控制系統,配有觸摸屏設定膠液加熱所需達到的溫度范圍。當出現故障時,蜂鳴器發出報警以提醒工作人員在觸摸屏上進行警報解除操作。涂膠機的啟停信號與機器人控制器的通用I/O硬件連接,正常工作時,可由機器人控制器發出指令:涂膠頭到位后開始涂膠,涂膠完成后,停止涂膠,涂膠頭更換位置進行下一步的涂膠。由于涂膠機膠液的濃度比較大,每次停機超過10min,涂膠頭可能被堵塞,因此系統配有手動腳踏設備以保證涂膠管的疏通。

3.3 視覺系統

該設計采用歐姆龍FZ3系列傳感技術[6-7],其在簡易照明下可以拍攝出最佳圖像效果,并能夠更快、更多的收集測試圖像數據。FZ3控制器通過并口I/O與PLC連接,當工件涂膠粘接完成后,PLC發出指令觸發STEP信號,即攝像頭拍照指令,拍攝完成后將所得到的圖片與標準圖像進行對比和分析,在允許的誤差范圍內,控制器就會認為此次涂膠粘接質量合格,控制器通過OR信號將判定結果反饋給PLC,如果反饋為1,那么涂膠粘接合格,繼續下面的工序,如果反饋為0,那么PLC發出警報提醒工作人員在下一周期開始前將不合格的產品取走。

4 結語

涂膠粘接生產線通過現場長時間的運行達到了預期的效果,其實現了全自動生產,工件自動傳輸,涂膠設備涂膠精準、快捷,粘接實現了數控自動化操作,大大減輕了工人的勞動強度,提高了產品的生產質量和勞動生產率,徹底改善了生產環境,減輕了對操作者的人身危害,同時生產線控制系統運行穩定,操作靈活,維護方便,對傳統生產而言是一個質的跨越。

[1]趙燕偉,鐘允暉,陳建,等.基于制鞋涂膠工藝的機器人噴涂速度控制研究[J].機械設計與制造工程,2013,42(3):62-65.

[2]施慶平.PLC在機器人涂膠生產線控制中的應用[J].微計算機信息,2006,22(6):72-73.

[3]龔威,張樹臣,王瀛.實例解讀西門子PLC[M].北京:中國電力出版社,2013.

[4]高永亮,虎恩典,董明,等.基于西門子PLC和觸摸屏的烘箱溫度控制系統[J].寧夏工程技術,2010,9(3):223-225.

[5]WALL M.Automarker halves man hours with robotic HM dispenser[J].Adhesive,1987,30(3):34-35.

[6]盧立軍,陳偉才,程金,等.在線汽車變速器自動涂膠系統設計[J].制作業自動化,2012,34(2):131-132.

[7]李新.機器人自動涂膠設備的調節和控制系統[J].工業現場,2002(21):50-51.

[編輯]張濤

TP273

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16731409(2014)25004103

2014-04-25

楊志方(1970-),男,碩士,副教授,現主要從事嵌入式系統及工業控制技術等方面的教學與研究工作。