家用空調蒸發器U型折彎全自動生產線控制系統設計

鄧 辰

（遼寧省機械研究院有限公司，遼寧 沈陽110032）

0 引言

隨著家用空調產品的更新，由原有的方形立式室內柜機衍生出了一種全新的圓形立式室內柜機，相應地家用空調室內機蒸發器的形狀也發生了變化，由原來方形柜機的雙列銅管平直型變為現在的雙列銅管U型（圖1），同時加大了蒸發器寬度及高度，這樣一來大大提高了蒸發器的熱交換效率，既節省了室內機的占地面積又提高了其換熱效能。但隨之而來的問題是原先的單機設備生產模式可以滿足小批量定制化生產需要，而無法適應大批量生產，再加上人力資源緊張以及工人勞動強度大等新情況的出現，于是研發了新型的全自動化U型折彎生產線。該生產線主要由自動傳送裝置、自動折彎機床、工業機器人三大部分組成，針對全自動化生產線的工藝要求設計了相應控制系統，以滿足實際生產需要。

圖1 家用空調U型蒸發器外形示意圖

1 生產線結構簡介

蒸發器U型折彎全自動生產線由蒸發器冷卻輸送線體、定位歸整機構、上料機器人、1＃折彎機、2＃折彎機、下料機器人、蒸發器緩存機構、管組插裝工作臺、蒸發器成品輸送線體共計九大部分組成，圖2為其基本結構示意圖。

圖2 蒸發器U型折彎全自動生產線結構示意圖

其中蒸發器冷卻輸送線體的作用是將從焊接機出來的蒸發器運送到上料機器人側，并對銅管進行降溫處理，防止對機器人的夾具造成損傷；定位歸整機構的作用是對蒸發器進行精確定位，以便機器人能夠實現精確抓取，這樣折彎后的工件才能保證彎曲尺寸的一致性；上料機器人的作用是將蒸發器抓取到定位歸整機構上進行定位，然后再準確地放到折彎機上，另外其還要判斷折彎機工作狀態，如果兩臺折彎機均不在原位，上料機器人需將蒸發器放置到緩存機構上備用，確保生產線工作節拍穩定；下料機器人的作用是將彎曲成型后的蒸發器準確放置到插裝工作臺上；插裝工作臺的作用是給人工提供安裝蒸發器管組的工作平臺。

2 生產線的工藝流程

正常工作時蒸發器從燃氣自動焊接機出來后進入冷卻輸送線體，經過冷卻后蒸發器被送入指定位置，上料機器人將冷卻后的蒸發器抓取到定位歸整機構上，蒸發器在定位歸整機構上由左右、前后夾緊機構進行夾緊定位，夾緊到位后上料機器人抓緊蒸發器，定位工作臺夾緊機構松開，均松開到位后機器人將蒸發器取出放到1＃折彎機的工作平臺上，1＃折彎機對蒸發器進行折彎；與此同時上料機器人返回繼續抓取另外一件蒸發器，送入定位歸整機構上進行定位，經過定位后再將其取出放到2＃折彎機的工作平臺上，對其進行折彎。這樣兩臺折彎機均處于工作狀態，大大提高了生產線的工作效率。1＃折彎機折彎結束后，下料機器人將折彎完成的蒸發器抓取到插裝工作臺上，由人工將其余管組插裝到蒸發器上，完成最終的蒸發器拼裝工作，再由成品輸送線體轉運到下一工位。

3 控制系統硬件部分

綜合上述蒸發器U型折彎全自動生產線的工藝要求，采用三菱Q系列PLC作為控制系統的核心部件。使用三菱CC－Link現場總線協議作為整個系統的設備層網絡，與兩臺那智不二越工業機器人SRA166及兩臺折彎機進行信號交互。輸送線體部分的速度控制使用三菱D740系列變頻器，與PLC之間的信號交互采用RS485通訊協議。系統的人機交互界面使用三菱GS2110－WTBD觸摸屏，與PLC之間的信號交互使用RS232通訊協議。

3．1 PLC單元

U型折彎機全自動化生產線對控制系統的響應速度、穩定性、兼容性要求較高，所以采用了三菱MELSEC－Q系列可編程邏輯控制器。Q系列PLC是三菱公司從原有的A系列PLC的基礎上轉變過來的大中型PLC系列產品，Q系列PLC采用了模塊化的結構形式，產品組成與規模靈活多變，最大輸入／輸出點數可達4 096點，最大程序存儲容量可達252K步，基本指令的處理速度可達34 ns，其基本組成包括電源模塊、CPU模塊、I／O模塊等，通過擴展各種特殊功能模塊可以提高PLC的性能，擴大PLC的應用范圍。正是考慮了上述性能特點才選用該系列的PLC，因為FX系列PLC的網絡擴展性能遠不如Q系列PLC，無法滿足與工業機器人、折彎機間自由通訊的控制要求。PLC單元的系統結構如圖3所示，其中CPU模塊選擇了Q06UDEHCPU，主要是考慮到要與工廠級的MES系統進行信息傳遞，其本身自帶Ethernet接口能滿足該功能，QX40為輸入模塊，QY10為輸出模塊，QJ71C24N模塊為兩通道串口通訊模塊，具有一個通道的RS232接口及一個通道的RS422／RS485接口，QJ61BT11N為CC－Link主站／本地站模塊，該模塊作為主站負責與工業機器人及折彎機通訊。

圖3 PLC的系統結構圖

3．2 與工業機器人、折彎機間的通訊

全自動生產線使用了兩臺那智不二越SRA166工業機器人和兩臺折彎機，二者均是具有獨立控制系統的自動化設備，那么隨之而來的問題就是需要將二者與總控系統鏈接到一起，使其成為一個整體，相互協調工作。決定使用三菱CC－Link現場總線網絡，由生產線控制系統的CC－Link模塊作為整個網絡的主站，機器人及折彎機作為從站，實現二者與總控系統的無縫連接。控制系統的CC－Link網絡拓撲結構如圖4所示。

圖4 控制系統CC－Link網絡拓撲結構圖

3．2．1 CC－Link現場總線簡介

CC－Link（Control ＆Communication Link）是為了滿足自動化系統用戶的各種需求，實現高速同步控制和信息數據處理的網絡系統。該系統不僅實現了限位開關、光電傳感器、操作面板、機器人等工業設備的網絡連接，還可對各設備的輸入／輸出（網絡I／O）進行邏輯訪問，由此原本難以進行硬件配線的裝置間不僅通信得到了改善，還可進行裝置等級的診斷。網絡節點數最大可達64，通信速度可從156 kb／s～10 Mb／s中選擇，以適應網絡規模。

3．2．2 與工業機器人的通訊

那智不二越機器人控制系統連接CC－Link網絡需要在控制器內安裝CC－Link基板。機器人控制器作為從站使用時為智能從站，占有站數固定為4，輸入／輸出點數為112點。

3．2．3 與折彎機的通訊

兩臺U型折彎機均有獨立的控制系統，采用三菱FX3U系列PLC，所以在原有PLC基本單元右側擴展了一塊FX3U－64CCL，使其成為CC－Link智能從站，完成與主站PLC的信號交互。

4 控制系統軟件部分

4．1 PLC控制程序設計

根據生產線工藝要求可將控制程序分成以下六大部分，分別是主程序、單機手動程序、單機自動程序、聯機自動程序、RS485通訊程序、CC－Link通訊程序。其中主程序負責調用其他子程序，輸出報警及設備狀態；單機手動程序的作用是調試設備各機構是否正常；單機自動程序是為防止機器人故障導致整條生產線無法生產而設計的；聯機自動程序為正常工作時使用的控制程序；RS485通訊程序用于與變頻器交互控制信號；CC－Link程序的作用是與機器人及折彎機進行信息交互。

4．2 觸摸屏界面

使用三菱GS2110觸摸屏作為人機界面，用于顯示設備的運行狀態、報警信息，對設備的各個部分進行手動或自動控制。組態軟件為三菱公司的GT Designer3，該軟件操作簡單、靈活性強。

系統中的主要操作界面如下：（1）系統功能選擇界面（圖5）。通過該界面可進入折彎機手動調試界面、自動測試界面、自動監控界面、報警界面、機器人調試界面、冷卻線插裝臺操作界面。（2）自動監控界面（圖6）。在該界面上顯示了生產的實時產量、冷卻輸送線及成品輸送線運行狀態、折彎機運行狀態、機器人運行狀態等信息。

圖5 系統功能選擇界面

圖6 自動監控界面

5 結語

蒸發器U型折彎自動化生產線控制系統已正常運行兩年時間，很好地滿足了控制工藝的要求，運行上穩定，操作上方便，維護簡單，易學易懂，克服了家用空調企業人員流動性大、操作人員水平參差不齊等對安全生產的影響，得到了用戶的認可及好評。

［1］王薔，程冬梅．空調換熱器芯體全自動折彎生產線［J］．機械設計與制造，2015（5）：265－267．

［2］鞠青辰，王海祥，梁雅婷，等．基于PLC的折彎機自動控制系統的研制［J］．機械設計與制造工程，2013，42（2）：52－57．

［3］王歷，劉曉東．空調熱交換器生產線專用設備的研制［J］．機械設計與制造，1990（1）：22－25．