基于PLC控制的支架安裝設(shè)計

季萍

對于一些大型設(shè)備和儀器，其主控單元需要接收各個部件傳遞的信號來反映設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，并將下一步的指令傳遞到各個部件上去。這些部件有的離主控單元較近，有的則較遠(yuǎn)。對于離主控單元較遠(yuǎn)的部件，需要通過較長的線纜來傳遞信號。以汽車上車輪的轉(zhuǎn)速傳感器為例，它的工作區(qū)域為汽車的四個車輪的輪軸附近，而信號最終傳遞給位于發(fā)動機艙內(nèi)的ABS系統(tǒng)，它們之間就使用了長度在1m左右的線纜來連接。

基于安全和便于維護的考慮，一般需要將這些線纜固定在設(shè)備內(nèi)部，而金屬支架是最經(jīng)常使用的一種方式。它的一端壓合在線纜上，另外一端通過螺栓固定在設(shè)備內(nèi)部。由于設(shè)備的不同或者同一設(shè)備不同位置的結(jié)構(gòu)不同，造成金屬支架的多種多樣。為了提高設(shè)備的靈活性和降低成本，可以將不同型號的產(chǎn)品和不同形狀的支架在一臺支架安裝設(shè)備上完成支架的安裝。

為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，可以將支架安裝設(shè)備分成兩個部分：主機臺和夾具。主機臺包括安全控制模塊和數(shù)字IO控制模塊，它是唯一的，通用于所有的型號對應(yīng)的夾具。夾具包括氣缸和傳動裝置，不同型號的產(chǎn)品和不同形狀的支架都是體現(xiàn)在夾具中的，它使用了Poka Yoke的設(shè)計，使之不會出現(xiàn)無法安裝支架以及混料的情況。

一、主機臺設(shè)計

1.設(shè)計原理

本設(shè)計選用西門子S7-200系列CPU224 6ES7214-1BD23-OXB8型號PLC

和西門子TP177B 彩色 6AV6-642-08A01-1AX1觸摸屏，通過控制電磁閥來控制氣源，并推動氣缸動作來壓合金屬支架到線纜上。控制原理圖如圖1所示：

2.主要功能模塊

（1）安全模塊。在生產(chǎn)過程中，安全是處在第一位的。本設(shè)計是通過氣源提供動力，從而帶動氣缸動作壓合產(chǎn)品。如果在支架壓合過程中作業(yè)員將手指伸到氣缸附近，就很容易壓傷手指，造成傷害。為了避免人手伸到氣缸附近造成壓傷，本設(shè)計使用了安全光柵，當(dāng)人手通過安全光柵時，光柵會反饋信號給安全回路，安全繼電器斷電，運動系統(tǒng)斷電斷氣，從而阻止人手受到傷害。本設(shè)計采用的是Pilz安全繼電器，它具有冗余回路，即使其中一條回路出現(xiàn)故障，另外一條回路也能繼續(xù)工作，對作業(yè)員進行保護。Pilz安全繼電器由數(shù)個繼電器與電路組合而成，為的是互補彼此的異常缺陷，達(dá)到正確且低誤動作的繼電器完整功能，使其失誤和失效率降低。如果安全繼電器的兩條回路都出故障了，又該怎么辦呢？在安全回路中還使用了急停按鈕，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常或者對人身造成傷害時，拍下急停按鈕，該設(shè)備的運動系統(tǒng)會立即斷電斷氣，形成第三道防護。

（2）復(fù)位按鈕。當(dāng)系統(tǒng)剛開始上電，或者系統(tǒng)從一次故障中恢復(fù)，比如拍下急停后，再將急停拉起，都需要將設(shè)備恢復(fù)過來，此時需要使用復(fù)位按鈕。除了以上情況，復(fù)位按鈕還用于設(shè)備報警的恢復(fù)、人手遮擋光柵后的恢復(fù)等。

（3）三色燈。三色燈是一種機床報警燈，它用于反映設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，它有紅、黃、綠三種顏色，任何時候只能有一個燈亮。其中紅色代表設(shè)備報警（比如急停被按下、安全門被打開、系統(tǒng)無氣源、設(shè)備故障等）；黃色代表設(shè)備正常，處于等待生產(chǎn)狀態(tài)；綠色代表設(shè)備正在使用過程中，如正在測試或者正在編程。通常三色燈安裝在設(shè)備的右上部，是為了讓設(shè)備維護人員能第一時間看到設(shè)備的異常，從而進行維護。

（4）哈丁接頭（母）。主機臺與夾具的連接是通過哈丁接頭實現(xiàn)的，包含電路和氣路兩部分。主機臺端的哈丁接頭為母接頭。

二、夾具設(shè)計

1.設(shè)計原理

通過Poka Yoke設(shè)計，特定的支架只能安裝在特定的位置上，并通過傳感器檢測支架是否安裝到位。另外，通過IO點的On4和Off的排列組合來區(qū)分不同產(chǎn)品的型號，防止產(chǎn)品型號選錯。

2.主要功能模塊

（1）氣缸和傳動裝置。PLC發(fā)出指令后，電磁閥閉合，氣缸得到氣源，推動傳動裝置，將金屬支架壓合在線纜上。每個氣缸上通常會有兩個傳感器，分別代表原點位置和工作位置。設(shè)備開始工作前，傳感器需要停在原點位置上，代表原點位置的傳感器顯示燈亮；設(shè)備工作中，氣缸需要到達(dá)工作位置，代表工作位置的傳感器顯示燈亮。

（2）傳感器，檢查金屬支架是否安裝到位。傳感器可以檢測夾具上面是否有支架，放置的支架型號與所選產(chǎn)品型號要求的支架型號是否一致，當(dāng)夾具上沒有支架或者型號錯誤時，會有報警提示操作工，只有當(dāng)放好支架后才能進行下一步操作，避免因支架與線纜組裝錯誤或漏組裝而產(chǎn)生的不良品。除此之外，產(chǎn)品壓合完成后，需要全部取出，若沒有取走產(chǎn)品則設(shè)備無法再次啟動，需取走產(chǎn)品后重新放置未壓合的產(chǎn)品方可再次啟動。

（3）機械Poka Yoke設(shè)計。需要根據(jù)支架形狀的不同而設(shè)計不同的夾具，使得該支架剛好能夠放入該夾具中，同時其他形狀的夾具無法放入該夾具中。為了防止直接安裝好后由于重力因素等掉落，夾具中安裝磁吸，固定住支架，確保其在壓合中不會掉落。

（4）哈丁接頭（公）。主機臺與夾具的連接是通過哈丁接頭實現(xiàn)的，包含電路和氣路兩部分。主機臺端的哈丁接頭為公接頭。

三、操作流程圖（如圖2所示）

四、主控制回路及安全控制回路設(shè)計

主控制回路除了要滿足設(shè)備運行所需要的供電和供氣，還要確保設(shè)備操作人員的安全。該設(shè)備外部供電為交流220V、50Hz，而主要的控制部件PLC，以及主要的運動部件氣缸、電磁閥等，都是選用的直流24V的供電。因此它們之間使用了電源轉(zhuǎn)換器，將交流220V轉(zhuǎn)為直流24V，以便設(shè)備能夠正常運行。

為保護設(shè)備操作人員的安全，主控制回路與急停開關(guān)串聯(lián)在一起，當(dāng)發(fā)生意外時，按下急停開關(guān)，設(shè)備會立即斷電斷氣。

本設(shè)備還使用了安全光柵，當(dāng)作業(yè)員的手在安全光柵范圍以內(nèi)時，設(shè)備也是斷電斷氣的，確保不會因為誤操作，將作業(yè)員撞傷。

五、數(shù)字IO控制回路設(shè)計

數(shù)字IO控制回路的設(shè)計主要包括三個方面。不同型號的產(chǎn)品所使用的工裝要能夠被識別。本設(shè)計是利用IO點的ON/OFF信號來識別的，比如當(dāng)I0.2為ON、I0.3為OFF時，為A工裝；當(dāng)I0.2為OFF、I0.3為ON時，為B工裝；所有輸入信號（檢測產(chǎn)品有無的傳感器、氣缸位置傳感器、電磁閥反饋信號等）都需要接入PLC，同時輸出信號（主要是電磁閥控制信號、信號燈等）也都需要接入PLC（如圖3所示）。

六、結(jié)語

本設(shè)計可實現(xiàn)各種型號的金屬支架和塑料支架組裝在其對應(yīng)的Cable上，并通過夾具，自動地將Cable穿過支架的地方壓緊。文中機臺機構(gòu)是由機架﹑工裝兩大部分組成，由氣源提供動力。為了滿足不同客戶的要求，同時為了提高設(shè)備的兼容性，實現(xiàn)生產(chǎn)的多樣化，使用了Poka Yoke設(shè)計避免漏裝和混料。在細(xì)節(jié)方面，針對不同的產(chǎn)品，以對應(yīng)產(chǎn)品的工裝對產(chǎn)品外形進行定位，工裝內(nèi)裝有強磁和定位銷，可防止產(chǎn)品在工裝內(nèi)轉(zhuǎn)動；組裝不同產(chǎn)品時更換夾具，并在觸摸屏上選定型號，確定程序。當(dāng)所有傳感器檢測到金屬支架和Connector都已放置好后，操作人員退離安全光幕以外，觸摸屏顯示可以運行，啟動按鈕亮綠燈，操作人員啟動設(shè)備。

參考文獻：

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