基于PLC的柔性自動化生產線系統(tǒng)分析與設計

涂小元

（荊楚理工學院，荊門 448000）

當前在制造業(yè)中柔性自動化生產線的應用越來越多，它可以顯著提高制造業(yè)生產效率，縮短生產周期，節(jié)約生產成本。通過運用柔性自動化生產線可以極大地提升生產設備的使用率，提供更多穩(wěn)定高效的產品生產能力，同時有效提高產品生產質量。目前，國內針對柔性自動化生產線的相關研究和實踐依然處在關鍵階段。基于此，應該高度重視基于PLC的柔性自動化生產線系統(tǒng)的的分析與設計，以便給柔性自動化生產線的普及應用提供有價值的參考[1]。柔性自動化生產線可以分為兩大環(huán)節(jié)，即物料流、信息流。信息流是指將柔性自動化生產線系統(tǒng)中的各個有機結合，使系統(tǒng)更加高效，更加穩(wěn)定地運行。因此，如何做到精準控制成為柔性自動化生產線系統(tǒng)的核心設計課題。物料流是指原材料、半成品、零件等經過加工、檢驗、裝配、試驗、存儲、運輸最終獲得產品的全過程。而控制系統(tǒng)的主要控制對象就是信息流、物料流，基于PLC控制生產線系統(tǒng)，實現(xiàn)過程控制。

1 柔性自動化生產線系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

本文設計了一個柔性自動化生產線模型，主要包括三個單元：供料單元、裝配單元、暫存單元。可以進行多種工件裝配。為了提高生產線模型的柔性度，設計中使用條碼掃描槍來判斷工件種類，該生產線工位分布如圖1所示。

圖1 柔性自動化生產線工位示意圖

在傳送帶尾端都設置了擋塊用于攔擋工件，目的是方便傳感器檢測工件，等待下一步處理。該生產線的上位機是裝有CP5611通訊卡的主機，三個單元的控制器均采用三菱FR-A PLC，通過PROFIBUS-DP連接PLC與總線網絡，系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 柔性自動化生產線控制系統(tǒng)結構圖

為了保證生產線系統(tǒng)的柔性度，實現(xiàn)對生產線系統(tǒng)的實時監(jiān)控，在上位機中裝有WinCC組態(tài)軟件，對生產線進行在線實時監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進行歸檔處理。

1.2 供料單元設計

供料單元主要包括擺動模塊、料倉模塊。貼有條形碼的工件存放在料倉之中，在生產過程中，存放于料倉的工件會被雙作用氣缸將推送至指定位置[2]。利用傳感器檢測料倉中是否有工件。雙作用氣缸的位置可利用電感式傳感器檢測。雙作用氣缸伸縮速度通過單向節(jié)流閥進行調節(jié)。條碼掃描槍將掃描條形碼，將相關數(shù)據(jù)傳輸至PLC對比工件的種類數(shù)據(jù)，將對比結果傳送至上位機。擺動模塊的吸盤吸取料倉中推出的工件，利用真空檢測開關確認工件是否被吸取，通過擺動缸驅動擺臂將工件傳送至傳送帶。功能單元的生產動作順序設計如下：（1）檢查料倉，有工件則繼續(xù)下一步生產動作；沒有工件則報警，等待放入工件；（2）擺動缸移動至“下一個工位”位置；（3）回縮雙作用氣缸，推出工件；（4）條碼掃描器掃描條形碼；（5）雙作用氣缸轉移至“料倉”位；（6）啟動。吸起工件，真空開關切換；（7）伸出雙作用氣缸，落放工件；（8）雙作用氣缸轉到“下一工位”位；（9）真空關閉；（10）擺動缸轉到“料倉”位。

1.3 裝配單元設計

作為自動化生產線的核心，裝配單元的主要任務是組裝工件。裝配單元最核心的部件是四自由度圓柱坐標型機械手，該機械手主要完成工件傳遞與裝配工作，通過步進電機控制，可以橫向伸出與縮回、縱向上升與下降、底盤旋轉、腕旋轉，機械抓手通過氣動方式控制。其中步進電機驅動器型號為SH-2H057，輸入脈沖、電平信號是由PLC提供。在裝配單元中，當工件被傳送至傳送帶末端，傳感器檢測到工件后會向PLC發(fā)送信號，PLC接收信號后將控制空閑的機械手抓取工件[3]。按照接收工件類型數(shù)據(jù)，PLC將自動判斷使用哪類配件進行工件裝配，并向機械手發(fā)出指令控制機械手抓取相應配件完成裝配任務，完成裝配后機械手將工件抓住放置于左側傳送帶以便工件被傳送至暫存單元，機械手回復原位。裝配單元的動作順序設計如下：（1）料倉推送配件；（2）機械手抓取工件；（3）機械手打開將工件放置于裝配臺；PLC根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷工件類型，如果是類型1，執(zhí)行下一步，如果是類型2則跳轉至步驟（5）。（4）機械手抓取配件1；（5）機械手抓取配件2；（6）機械手組裝配件；（7）機械手抓取工件送至滑槽模塊；（8）傳感器檢測到工件，打開氣缸將工件送至傳送帶；（9）機械手恢復原位。

在裝配單元中除了自自由度機械手之外，料倉模塊也是其重要組成部分。料倉模塊用于儲存物料。配件從料倉模塊中分離出來。PLC則負責根據(jù)根據(jù)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)調配機械手完成工件裝配

1.4 暫存單元設計

暫存單元主要包括搬運機構、底車、立體倉位貨架等部分。其中底車用于承載單元主體，底車內裝有PLC。搬運機構是一個三自由度的直角坐標機械手，由電動缸、雙作用氣缸、氣動抓手等部件構成。電動缸由步進電機驅動，可以實現(xiàn)精確定位，底部Z軸方向為雙作用氣缸可實現(xiàn)前后伸縮，抓手裝于Z軸。暫存單元作用是按照順序將裝配工件擺在貨架指定位置上。當傳感器檢測到工作時，機械手根據(jù)PLC控制器指令抓取工件，并將其放置于指定倉位，然后回復原位，進行下一步操作。暫存單元的主要動作順序設計如下：（1）機械手抓取工件；（2）機械手沿Z軸位移，定位Z坐標；（3）機械手沿X軸位移，定位X坐標；（4）機械手沿Y軸位移，定位Y坐標；（5）機械手沿Z軸伸出放置工件；（6）機械回復原位。

2 PLC控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)代工業(yè)要求制造業(yè)具備快速反映能力，能夠根據(jù)市場需求變化靈活調整生產計劃，生產小批量、多品種、高質量產品。為了實現(xiàn)這個目標，自動化自動生產線控制系統(tǒng)必須具備良好的靈活性和可靠性。在此背景下，PLC可編程控制器應運而生。做為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，PLC在自動化生產控制中的作用非常重要。

2.1 步進電機控制設計

步進電機可將電脈沖轉換為角位移。當步進電機驅動器接收脈沖信號后就會按照指定方向轉動移動角度（即步進角），因此，我們可以通過控制脈沖信號數(shù)量來控制角位移量，從而實現(xiàn)精準定位。此外，還可以通過控制脈沖頻率達到控制電機轉動速度的目的。本文設計的生產線系統(tǒng)采用兩相混合步進電機，采用串聯(lián)型接法連接。步進電機驅動器負責控制步進電機，而步進電機驅動器采用大型集成電路，具有很強的抗干擾性和快速響應能力，甚少出現(xiàn)死機或丟步。步進電機驅動器在與PLC連接時需要連接信號主要包括方向信號、脈沖信號等。為確保步進電機運行穩(wěn)定，其運動最大速度不得超過6m/min。為了精準定位工件，電機應設置合理的加速、減速。為此可利用PLC多段管道PTO輸出高速脈沖方式控制步進電機。在此模式下，CPU讀取V存儲器區(qū)包絡表中的脈沖串特性，包絡表中的周期值需使用同一個時間基準，且包絡運行狀態(tài)下不可改變，進而執(zhí)行PLS指令啟動多段操作。

2.2 條碼掃描槍控制設計

本文設計的生產線系統(tǒng)采用CipherC1000條碼掃描槍進行條碼掃描，系統(tǒng)中的PLC自帶RS485接口，條碼掃描槍通過連接至PLC的RS485接口，還需要配置條碼閱讀器、條碼解碼器與PCI/PPI電纜。條形碼信息經解碼器解碼后傳送至PLC，PLC調用數(shù)據(jù)識別工件類型。

2.3 雙作用氣缸控制設計

本文設計的生產線系統(tǒng)中的雙作用氣缸采用5/2雙電控電磁閥控制。PLC輸出連接至電磁閥線圈上，通過控制線圈通電、失電，達到控制雙作用氣缸伸縮的目的。

2.4 擺動機械手控制設計

擺動機械手結構相對簡單，主要運用于供料單元，主要作用時從料倉中將工件轉移至傳送帶，其控制原理類似于雙作用氣缸，通過PLC輸出連接至電磁閥線圈上實現(xiàn)控制。

3 結束語

綜上所述，本文設計了一條最簡化的柔性自動化生產線，主要運用PLC技術、監(jiān)控組態(tài)技術、現(xiàn)場總線技術。探討了柔性自動化生產線的基本構成：供料單元、裝配單元、暫存單元的功能和動作順序，簡述了步進電機、雙作用氣缸、條碼掃描槍、機械手的控制設計。