基于PLC控制的在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的設(shè)計

王信野，陳書宏，楊仁楓，鄭德超

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

基于PLC控制的在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的設(shè)計

王信野，陳書宏，楊仁楓，鄭德超

（中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

介紹一種應(yīng)用于重卡變速器裝配線上的在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，主要基于西門子PLC控制，采用X、Y、Z及旋轉(zhuǎn)軸四個方向伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，采用液壓系統(tǒng)定位裝置對托盤進(jìn)行定位。該在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)成功的應(yīng)用于國外變速器生產(chǎn)中，提高了生產(chǎn)線的自動化程度和生產(chǎn)效率，降低人工成本，提高產(chǎn)品競爭力。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；變速器；PLC控制；伺服系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)水平的快速發(fā)展，人們對于卡車性能要求也不斷提高。變速器是卡車零部件的重要組成部分，變速器生產(chǎn)廠家不斷對裝配生產(chǎn)水平提出更高的要求。生產(chǎn)廠家不斷的改進(jìn)變速器的裝配工藝，裝配生產(chǎn)線從90年代的手工裝配漸漸的向半自動化裝配線，以及更先進(jìn)的管控一體化的自動化裝配生產(chǎn)線過渡。

本文主要介紹某公司變速器裝配車間應(yīng)用于輥道式的重卡變速器裝配生產(chǎn)線的在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主要實現(xiàn)RFID射頻設(shè)備識別托盤上的變速器殼體型號自動切換程序，對托盤上的變速器殼體90°、180°姿態(tài)翻轉(zhuǎn)變換，無人工參與全自動化在線生產(chǎn)的功能。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于某重卡變速器裝配生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)中，自動切換變速器殼體在輥道式物流生產(chǎn)線中的90°，180°姿態(tài)。本設(shè)備主要采用伺服控制器及伺服電機(jī)完成X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、旋轉(zhuǎn)軸方向的四個方向的驅(qū)動控制；采用液壓系統(tǒng)完成托盤姿態(tài)旋轉(zhuǎn)及精確定位，夾緊箱體的功能。因為變速器箱體及內(nèi)部齒輪裝配到此工位重量達(dá)到250kg，所以Z軸方向采用增加反方向配重的方式實現(xiàn)，這樣很大的程度上減小Z軸方向伺服電機(jī)的扭矩參數(shù)，從而降低設(shè)備成本。由于本條裝配生產(chǎn)線為了實現(xiàn)10個品種混合裝配，品種尺寸差別較大，因此在設(shè)計中采用在之前工位安裝多孔工裝板實現(xiàn)。

如圖1機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖，液壓系統(tǒng)主要由舉升定位缸、托盤姿態(tài)旋轉(zhuǎn)缸、箱體夾緊缸及液壓站構(gòu)成。伺服控制系統(tǒng)主要由X軸伺服控制系統(tǒng)、Y軸伺服控制系統(tǒng)、Z軸伺服控制系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)方向伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)平面直角坐標(biāo)系定義，垂直方向為Z軸伺服系統(tǒng)運(yùn)動方向，運(yùn)動范圍為900mm，水平方向為X軸伺服系統(tǒng)運(yùn)動方向，運(yùn)動范圍為400mm，垂直于紙面方向為Y軸伺服控制系統(tǒng)，運(yùn)動范圍為600mm，旋轉(zhuǎn)方向伺服系統(tǒng)運(yùn)動方向為垂直于水平方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～180°。伺服系統(tǒng)的編碼器和位移傳感器的精度可以到達(dá)0.2mm，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)有一定的浮動空間，滿足設(shè)計要求。

1.2 工藝流程

本翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要配合輥道式物流裝配線實現(xiàn)變速器箱體在托盤上的姿態(tài)切換。本條裝配線應(yīng)用了三臺在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)姿態(tài)如下：

1）變速器箱體上線之后完成裝配，安裝工裝板，到達(dá)第一臺翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)180°，自動放行；

2）變速器箱體自動放行之后，進(jìn)行下一部分裝配，到達(dá)第二臺翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)180°，自動放行；

3）變速器箱體自動放行之后，進(jìn)行下一部分裝配，到達(dá)第三臺翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)90°，自動放行。

如圖2翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工藝流程圖所示，托盤自動運(yùn)行到舉升定位機(jī)構(gòu)處，首先，通過RFID射頻設(shè)備識別托盤上變速器型號，自動切換程序，加載相應(yīng)數(shù)據(jù)配方；然后，舉升定位機(jī)構(gòu)通過舉升、旋轉(zhuǎn)90°、下降等過程將托盤旋轉(zhuǎn)90°并且進(jìn)行定位；接著，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)，將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾爪運(yùn)動到箱體取箱位置；然后，夾緊缸夾緊，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)運(yùn)動到箱體翻轉(zhuǎn)位置，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)角度；接著，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)，將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾爪運(yùn)動到箱體放箱位置，箱體夾緊缸松開；再然后，X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)回到初始位置，舉升定位機(jī)構(gòu)回原位，將托盤放到輥道裝配線上；最后，變速器箱體姿態(tài)切換完成，托盤自動放行到下一個工位，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始位置，整個翻轉(zhuǎn)過程結(jié)束，等待下一個托盤。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工藝流程圖

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及控制策略

2.1 硬件構(gòu)成

如圖3所示，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要采用西門子PLCS-1200進(jìn)行邏輯控制；采用西門子HMI TP900人機(jī)交互界面；采用西門子V90伺服控制器及1FL6伺服電機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)四個自由度的精確控制，并在每個自由度增加巴魯夫位移傳感器；采用液壓系統(tǒng)對舉升缸、姿態(tài)旋轉(zhuǎn)缸，夾緊缸進(jìn)行控制，在夾緊缸上增加壓力繼電器進(jìn)行檢查，采用倍加福RFID IQT-F116射頻識別設(shè)備進(jìn)行托盤上變速器箱體識別。

控制系統(tǒng)PLC與裝配線主站西門子PLC S-1500通過以太網(wǎng)通訊進(jìn)行控制，與西門子HMI TP900人機(jī)交互界面通過以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)，與倍加福RFID IQT-F116射頻識別設(shè)備采用RS-485串口通訊技術(shù)實現(xiàn)，其他的位移傳感器、開關(guān)按鈕、指示燈、接近開關(guān)等通過PLC的數(shù)值I/O和模擬量來實現(xiàn)。

2.2 閉環(huán)控制

在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)核心部件是平面直角坐標(biāo)系中對應(yīng)于三個坐標(biāo)軸方向和旋轉(zhuǎn)方向的四套伺服系統(tǒng)。本設(shè)備選用西門子SIMOTICS S-1FL6伺服電機(jī)配合SINAMICS V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)，形成功能強(qiáng)大的伺服系統(tǒng)，電機(jī)支持3倍過載能力，選用13位分辨率的增量式編碼器，能夠充分滿足機(jī)械設(shè)計對動態(tài)性能，速度設(shè)定范圍，輸出軸與法蘭精度的高要求。

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯圖，本設(shè)備控制系統(tǒng)采用編碼器速度檢查和位移傳感器位移檢測的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且通過編碼器位置量與位移傳感器的位移量差值判斷，以及伺服運(yùn)行扭矩檢測，實時診斷伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。伺服控制系統(tǒng)采用位置控制方式與編碼器位置反饋形成伺服驅(qū)動器內(nèi)部閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣大大的提高設(shè)備運(yùn)行精度。PLC控制系統(tǒng)通過位移傳感器對于機(jī)械部件實時位置的反饋形成伺服驅(qū)動器外部閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且采用PID調(diào)節(jié)提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用外部閉環(huán)控制系統(tǒng)最主要的目的是，當(dāng)出現(xiàn)伺服電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)軸器脫離或者是絲杠斷裂形成的機(jī)械部件與實際運(yùn)行的目標(biāo)位置不一致的時候，根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動程序會繼續(xù)執(zhí)行下去，這樣實際位置與設(shè)定位置不符合，會造成極大的危險性。增加位移傳感器之后形成外部閉環(huán)系統(tǒng)，增加伺服運(yùn)行條件很好的解決這個問題，并且通過PID調(diào)節(jié)提高設(shè)備的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通過對伺服電機(jī)的運(yùn)行扭矩的邏輯判斷，很好的解決絲杠運(yùn)行時間過長外形扭曲或者突發(fā)情況形成大扭矩等情況，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯圖

液壓系統(tǒng)中，在箱體夾緊缸油路中增添壓力值可以設(shè)定的壓力繼電器，設(shè)定壓力值，達(dá)到設(shè)定值發(fā)訊，進(jìn)行下一步動作；舉升定位缸和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)缸通過磁性開關(guān)進(jìn)行位置判斷，液壓站增添溫度傳感器進(jìn)行液壓油的油溫判斷。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計主要分為三個部分：PLC程序設(shè)計、伺服控制系統(tǒng)的組態(tài)及參數(shù)設(shè)定、HMI人機(jī)界面的設(shè)計。

3.1 PLC程序設(shè)計

如圖5所示，PLC自動程序流程圖，主要根據(jù)自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工藝流程編寫程序。

在啟動自動程序之前需要對每個品種的變速器的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，手動運(yùn)行伺服系統(tǒng)采集變速器在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的初始原位、取箱位置，旋轉(zhuǎn)箱體位置，放箱位置，每個位置由X、Y、Z旋轉(zhuǎn)軸四個位置參數(shù)構(gòu)成，然后將所采集的數(shù)據(jù)，鍵入到HMI人機(jī)界面的配方中，以待自動程序加載數(shù)據(jù)。

圖5 PLC自動程序流程圖

運(yùn)行自動程序，首先，設(shè)備上電啟動之后，進(jìn)行設(shè)備初始化程序，主要是X、Y、Z軸及旋轉(zhuǎn)軸伺服電機(jī)回零點，運(yùn)行到初始原位，液壓系統(tǒng)液壓缸回到原位；然后，檢測伺服系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是否有故障報警現(xiàn)象，從而翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到達(dá)準(zhǔn)備就行狀態(tài)；接著，當(dāng)托盤運(yùn)行到此工位時，RFID設(shè)備識別變速器型號，自動切換程序，配方數(shù)據(jù)載入，根據(jù)工藝流程進(jìn)行動作，如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)伺服報警和液壓系統(tǒng)報警，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整個系統(tǒng)立即停止，這時候需要人工干預(yù)進(jìn)行故障排查。最后，完成工藝流程，托盤回到輥道上，自動放行。

3.2 伺服系統(tǒng)

本設(shè)備采用西門子V90系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)，在應(yīng)用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT軟件設(shè)置伺服系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，在博圖軟件中建立工藝軸對象進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定。

在在應(yīng)用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT軟件主要設(shè)置：電子齒輪比、伺服電機(jī)運(yùn)行模式、配置輸入/輸出、設(shè)定極限值等參數(shù)；如圖6所示，博圖軟件運(yùn)動控制軸組態(tài)圖，在博圖軟件中建立工藝軸對象，脈沖發(fā)生器與伺服系統(tǒng)輸入端建立連接，采用硬件限位開關(guān)和軟件限位開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，采用主動回原點的方式，常規(guī)啟停斜坡急停斜坡，關(guān)聯(lián)驅(qū)動器I/O點等。

圖6 博圖軟件運(yùn)動控制軸組態(tài)圖

3.3 HMI程序設(shè)計

HMI人機(jī)界面主要由：主界面、參數(shù)設(shè)定界面、信號監(jiān)控界面、手動操作界面、故障報警、配方界面，系統(tǒng)界面構(gòu)成。

1）主界面：顯示自動程序運(yùn)行流程，伺服當(dāng)前位置，及目標(biāo)位置參數(shù)等；

2）參數(shù)設(shè)定界面：設(shè)置伺服零點位置與位移傳感器零點位置的偏移值，夾緊缸的夾緊位置等；

3）手動操作界面：編輯液壓系統(tǒng)中液壓缸手動按鈕，伺服系統(tǒng)中回零點按鈕、相對位移設(shè)定及按鈕、絕對位移設(shè)定及按鈕、系統(tǒng)故障復(fù)位按鈕、軟硬限位開關(guān)狀態(tài)顯示及伺服運(yùn)轉(zhuǎn)正反兩個方向按鈕，實時位置顯示；

4）配方界面：通過手動操作獲得變速器在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的初始原位、取箱位置，旋轉(zhuǎn)箱體位置，放箱位置寫進(jìn)配方中，自動運(yùn)行時加載數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

論述了一種基于PLC控制的在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的設(shè)計。本在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過X、Y、Z及翻轉(zhuǎn)四個方向的伺服系統(tǒng)的控制，達(dá)到了變速器在裝配線上三種姿態(tài)的目的。 目前，三臺在線自動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于某卡車公司的國外裝配車間中。如圖7所示，卡車變速器的年產(chǎn)量達(dá)到6萬臺，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)用圖片

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圖5 車體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺

圖5是通過上述原理設(shè)計的列車車體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺，單個列車車體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺額定載荷25t，聯(lián)動控制后可實現(xiàn)額定載荷50t。單個平臺及聯(lián)動狀態(tài)均可實現(xiàn)實現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向的移動及升降功能。經(jīng)過試驗驗證，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，可橫越過高差約20mm軌道，能順利通過53mm寬的軌道輪緣槽。最大移動速度0.5m/s，非常適合在作業(yè)通道狹窄，路面多鐵軌的高速鐵路裝配環(huán)境使用。目前本設(shè)備已在中車集團(tuán)多個動車組裝車間使用，使用效果良好。

3 結(jié)論

本文針對列車車體轉(zhuǎn)運(yùn)過程的由于列車體積大、廠房空間狹窄造成的轉(zhuǎn)運(yùn)效率低等問題，提出了一種高效的列車轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。該設(shè)備采用麥克納姆輪實現(xiàn)全向移動功能，通過特殊的液壓懸掛方式提高輪組的著地性能并實現(xiàn)升降功能。采用高精度傳感器采集信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，實現(xiàn)兩臺設(shè)備聯(lián)動轉(zhuǎn)運(yùn)列車車體。基于上述技術(shù)的列車車體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺已在中車集團(tuán)多個動車裝配車間使用，實踐證明，基于上述技術(shù)的列車車體轉(zhuǎn)運(yùn)平臺運(yùn)動方式靈活，操作方便，可以很好的適應(yīng)復(fù)雜的列車裝配環(huán)境，有效提高列車車體生產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。

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Design of control system of online automatic turnover mechanism on PLC control

WANG Xin-ye, CHEN Shu-hong, YANG Ren-feng, ZHENG De-chao

TP23

B

1009-0134(2016)12-0015-04

2016-09-01

王信野（1986 -），男，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，研究方向為PLC控制及自動化技術(shù)。