基于汽車生產沖壓線的搬運單元設計

茍維杰，胡偉

(1. 北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176； 2. 天津職業技術師范大學，天津 300222)

基于汽車生產沖壓線的搬運單元設計

茍維杰1，2，胡偉1

(1. 北京電子科技職業學院 汽車工程學院，北京 100176； 2. 天津職業技術師范大學，天津 300222)

摘要：介紹一種基于SIEMENS S7-300控制的自動搬運單元設計。以汽車覆蓋件沖壓加工需求為依據，分析搬運單元的工作流程，介紹了搬運單元的執行機構和氣動回路，依據系統功能配置了PLC的I/O端口，設計了PLC外部接線及軟件順序控制功能圖，實現了以 PLC為上位機的自動搬運單元的遠程控制及自動搬運工作。經實際運行證實，該搬運單元結構簡單，易于維護，運行穩定可靠，具有工業參考價值和實用意義。

關鍵詞：汽車；沖壓線；自動搬運單元；可編程控制器；順序控制

Handling Unit Design Based on Automotive-stamping Lines

GOU Weijie1,2,HU Wei1

(1. BeiJing Polytechnic Automotive Engineering School, Beijing 100176,China;

2. Tianjing University of Technology and Educution, Tianjing 300222,China)

Abstract:This paper introduces an aautomatic handling unit design based on SIEMENS S7-300 control. According to the needs of the automotive stamping, it analyses the workflow of the handling unit, designs its actuator and pneumatic circuit, configures PLC's I/O ports according to the system functions and designs the PLC external wiring and software sequence control function diagram to realize the remote control and operation of the automatic handling unit with PLC as PC. The handling unit is characteristic of simple structure,easy maintenance and smooth operation and it can be used for industrial production

Keywords:automobile; stamping line; automatic handling unit; PLC; sequence control

0引言

現代制造業中PLC控制的自動化生產線得到了廣泛的應用，以PLC控制為主的氣動控制在小型、輕載自動化生產線上應用更為突出。自動搬運單元應用于汽車覆蓋件沖壓生產線上，能夠快速、準確的將待沖壓鋼板運送至沖壓模具中，極大地提高了生產效率。

自動搬運單元是PLC的控制功能、氣動原件及Profibus總線有機結合的產物。自動搬運單元既經濟實用又容易安裝，具有動作平穩、反應迅速、維護簡單的優點，在保障從業者安全、減輕勞動強度、降低生產成本方面都有十分重要的意義。

1自動搬運單元工作原理

1.1自動搬運單元結構

依據工作要求，自動機搬運單元機械部件需要進行左右擺動、橫臂的伸縮、垂直臂的升降及待沖壓鋼板的抓取裝置。如圖1所示為自動搬運單元的總體結構。其主要元件功能如下：

1—擺動氣缸；2—水平氣缸；3—垂直氣缸；4—真空吸盤；5—底座和支架圖1　自動搬運單元的總體結構

擺動氣缸：實現抓取/放置工件過程中吸盤的水平擺動，安裝位置傳感器檢測，擺動氣缸的擺動位置；

水平氣缸：實現抓取/放置工件過程中吸盤的水平運動，安裝位置傳感器檢測氣缸的伸出退回位置；

垂直氣缸：實現抓取/放置工件過程中吸盤的升降運動，安裝位置傳感器檢測氣缸的上升下降位置；

真空吸盤：實現抓起或放置工件，安裝壓力傳感器保證真空吸盤能夠抓起工件；

底座和支架。

為了保證自動搬運單元沒有空運行及工作安全性，在工件待加工區和加工區安裝了光電開關，負責檢測加工區域內的工件是否被移走，待加工區域內是否有待加工工件，只有待加工區域內有待加工工件，加工區域需要加工工件時，自動搬運單元才繼續工作。

1.2自動搬運單元工作流程

自動搬運單元要經過是否抓取判斷條件、抓取鋼板、傳運鋼板、放置到沖壓模具中。整個抓取運送過程中要求控制系統穩定，抓取工件運動快捷，傳送快速平穩，放置工件精準到位。如圖2所示為自動搬運單元的工作流程。

圖2　自動搬運單元的工作流程

自動搬運單元初始時，待加工區有待加工工件，各執行元件處于初始位置。待加工區工件處于等待被抓取狀態，沖壓模具中的工件已被運走，處于無工件狀態。滿足以上條件，擺動缸向左擺動到待加工工位，水平缸活塞桿伸出到位，垂直缸活塞桿伸出到位，真空吸盤啟動抓取鋼板，垂直缸活塞桿退回到位，水平缸活塞桿退回到位，擺動缸向右擺動到加工工位，水平缸活塞桿伸出到位，垂直缸活塞桿伸出到位，真空吸盤關閉，放置鋼板到沖壓位置。自動搬運單元就完成一個工作循環，如沒有停止指令，程序跳轉到初始狀態，可以實現循環自動搬運。

2控制系統設計

Profibus (process fieldbus)是一種通用性極強的開放式的不依賴于設備制造商的工業現場總線標準，主要應用于制造業自動化生產線及其他自動控制領域。自動搬運單元統一采用Profibus總線技術，進行主從站信息交換與實時控制，實現PLC控制器與上位機、電磁閥、狀態檢測開關及現場的輸入設備之間的信息交換，對整個操作系統進行實時動作控制及信號反饋。

2.1PLCI/O點分配

根據對自動搬運單元控制的需要，設置6個輸出點，地址、代號及功能說明如表1所示為系統的輸出地址分配。

表1　輸出地址分配

自動搬運單元設置有13個輸入點 ，信號來源于開關控制原件及執行原件的位置檢測傳感器。地址、代號及功能說明如表2所示為系統的輸入地址分配。

表2　輸入地址分配

2.2PLC硬件電路

根據現場工況要求進行分析，該系統為開關量順序控制系統，且系統要求的輸入輸出點較少，同時考慮與上位機的連接。供料系統的控制器選用SIEMENS S7-300系列PLC CPU 314C-2DP，該PLC具有數字量I/O接口和 Profibus雙向通信接口，接線簡單，方便操作PLC輸入/輸出設備、執行原件連接在Profibus 總線上。這種PLC與外部設備通過總線連接的方式采用的是分布式控制結構。傳感器等輸入設備信息通過Profibus送到PLC進行邏輯運算，同時PLC發出信號控制執行原件完成工作，實現了自動化生產線的遠程操作和控制功能。如圖3所示為PLC I/O接線圖。

圖3　PLC I/O接線圖

2.3PLC軟件設計

自動搬運單元每一步的動作都是在前一步動作完成后進行的，程序的設置屬于PLC順序控制。編程過程中利用中間寄存器實現這種功能控制，轉換條件由各位置傳感器和工件檢測傳感器決定。如圖4所示為自動搬運單元順序控制功能圖。左邊框圖中為下一步運行條件為控制條件，右邊框圖為當條件滿足時所產生的結果。在PLC編程時使用相應的中間寄存器通電，使整個系統保持預設的順序運行狀態。由圖4可以看出，自動搬運單元完成一個工作循環需要12步，在完成第12步后，如果沒有停止搬運條件，且滿足沖壓位無工件、待加工位有鋼板時，自動搬運單元可以實現連續搬運。

3結論

Profibus總線技術為實現了I/O設備及上位機的信息交換提供了保障。自動搬運單元有機的結合了PLC順序控制技術、氣動技術和Profibus總線技術，實現了對執行元件的遠程操作與控制，自動搬運單元能夠完成自動判斷、自動搬運工件的功能。自動搬運單元為分布式控制單元，系統靈活可靠，能實現快速準確的動作，PLC作為控制上位機與控制端的接線簡單，易于操作，維護方便，該設計方案用于生產實際及教學訓練中取得了較好的效果，具有工業參考價值和實用意義。

圖4　自動搬運單元順序控制功能圖

參考文獻:

[1] 胡健. 西門子S7-300/400 PLC工程應用[M]. 北京:北京航空航天出版社,2008.9.

[2] 史映紅,周志海. 西門子S7-200 PLC 在機械手中控制的應用研究[J].煤礦機械， 2010，(12) : 185-186.

[3] 羅庚興,寧玉珊. 氣動安裝機械手的PLC 控制[J]. 制造業自動化, 2011,(1) : 82-84.

[4] 張文. 基于PLC 控制的氣動機械手控制系統[J]. 機電信息, 2010,(36) : 16-17.

[5] SIEMENS公司[S]. SIMATIC s7-300使用手冊,2005.

[6] 呂世霞. 閥島技術在生產線自動供料系統中的應用[J]. 制造業自動化,2010，(32):170-175.

收稿日期：2014-01-07

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0181-03

作者簡介：茍維杰(1978-)，男，甘肅天水人，講師，博士研究生，研究方向為機電一體化，自動化加工。