基于Q系列PLC和CC-Link的工件傳送系統設計

陳銳鴻，施志敏

（1.華南理工大學 廣州學院機械工程學院，廣州 510800；2.華南理工大學 廣州學院工程研究院，廣州 510800）

0 引言

工件傳送系統（Workpiece Transport System，WTS）[1]是工廠實現生產自動化的重要組成部分，傳輸的方式有很多種，在車間內部長距離的傳輸，通常使用自動引導小車（Automatic Guide Car，AGV），對于物料的配送非常合適，但仍然需要機械手或人工進行上下料，相應的運行空間也較大[2]，對于生產車間高度集中的地方，AGV具有非常大的局限性，不能有效地施展工作。當前在機床加工實現了使用工業機器人來取放工件，達到了單機的上下料自動化[3]，由此每臺機床仍然需要配備相應的人員來搬運加工前和加工后的工件，這個工作量對于大型的加工廠來說仍然是非常大。在中國制造2025的背景下，以實現工廠自動化為出發點，將各個加工單元進行有效串聯，構建一個智能的無人車間，采用工件自動傳送系統成為首要任務[4]。本文將組合機床的工件上下料，機床間的工件傳送、工件去毛刺、清洗工序通過傳送系統完成。

1 系統介紹

傳送系統的構成：

1）輥道輸送機構

輥道輸送機構[5]用于傳送工件，采用變頻器加電機控制各個區間的輥道運行。由于傳送區間較長，達20米，采用6個電機傳動。輥道之間采用鏈條連接，如圖2所示。

2）擋料機構

圖1 車間布置圖

圖2 工件擋料機構設計

擋料機構[6]是在工件上料時，將后方的來料阻擋，以騰出上料的空間提供給機械手上料的一種機構，如圖2所示。該機構由工件檢測傳感器、前阻擋氣缸和后阻擋氣缸及氣缸的上下限位傳感器組成。當傳感器檢測到有工件，且沒有上料信號時，后阻擋氣缸下降，下降到位，前阻擋氣缸上升，放出一個工件。當接收到機械手放料信號時，前阻擋氣缸不動作，待放料區間的傳感器檢測到沒有工件時，發出一個可放料信號，機械手執行放料。放料完成后，機械手提供放料完成信號，傳送帶重新啟動工件，工件傳送恢復正常。

3）上料機械手

上料區域控制由阻擋工件進行控制，當需要空出上料區域時，通過阻擋機構將區域空出，以便提供給機械手上料使用。機械手采用三軸桁架結構，采用伺服系統控制[8]，實現上料、下料的自動化。機械手運行流程如圖3所示。

圖3 工件傳送系統（WTS）工作流程圖

4）工件判別機構

工件判別是指由于車間是同時操作生產不同的工件，組合機床工件輸送到下一工位時，需要判別工件的類型，采用大小與高低作為工件的識別特征。通過氣缸的限位傳感器，能有效識別出工件的特征。工件機構采用橫向和縱向兩個氣缸，分別判別工件的大小和高低，通過組合來識別工件的種類，機構如圖4所示。

5）儲道分流機構

傳送系統末端有不同的分流道，工件識別后根據垢分流到相應的料道，進行再加工。分流機構設計為阻擋機構和撥料機構，將不同的工件分向兩個不同的儲料道，分流機構采用傳感器檢測到位，氣缸執行撥料的工作方法。

圖4 工件判別機構

2 電氣控制系統設計

WTS的控制器采用的是三菱Q系列PLC，Q系列PLC是三菱的中、大型PLC系列產品，采用模塊化架構，根據需要選擇模塊，其性能優秀，可以適用于各種復雜機械、自動生產線的控制[7]。它具有可擴展性強、節省成本、安裝方便、集成功能強、設備兼容性強等特點。

三軸機械手采用QD77MS4定位控制模塊，三菱Q系列PLC采用的是模塊化設計，其組成有電源模塊、基板、CPU模塊、以及輸入/輸出模塊組成，每一個模塊都需要安裝在基板上進行使用[9]。根據整個傳送系統的控制需求對CPU模塊進行選型，其PLC構成如圖5所示，表1是PLC各個模塊選型情況及IO分配。

圖5 PLC模塊組態

表1 PLC各個模塊選型情況及IO分配

工件傳送系統配備普洛菲斯PFXGP4402WADW七寸寬屏觸摸屏，用于設備的操作和顯示設備報警。同時觸摸屏的主菜單可以進行不同的操作，如：生產模式選擇、運行參數設置、警報處理、機種切換、IO顯示等功能。控制系統原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統原理圖

3 WTS系統程序設計

3.1 手動程序設計

手動程序設計主要包括：氣缸的手動動作、可放料的手動信號，為了使用各個氣缸不會互相干涉，采取觸發條件+動作條件，然后再輸出執行氣缸的編程方法。將氣缸的動作許可在動作條件端設置。手動放料信號主要是在機械手調試或者傳送帶沒有動作時，由人工提供可放料信號給機械手，執行機械手的放料程序。手動編程方法如圖7所示。

圖7 手動控制程序

3.2 自動程序

3.2.1 傳動電機自動啟動

電機是傳送系統的動力來源，因為自動程序時，必須保證電機在運行中，當自動啟動后，電機將工件往前傳送。當出現緊急報警時，傳送帶會立即停止，如遇工件卡住等情況，電機的電流會過載，發出報警停機。

3.2.2 自動程序

阻擋模塊是工件傳送系統與8組機械手協同工件，當機械手需要放料時，機械手發出信號，工件傳送系統準備好放料的條件，后擋下，前擋上。工件不放料，機械手收到可放料信號后，執行放料。

阻擋模塊的自動程序分兩種情況，一是沒有放料信號時，傳感器檢測到工件后，按前下后上，工件走過以后，后下前上的控制流程。二是接收到放料信號時，后氣缸到達后限位后，前擋氣缸不動作，等待放料完成后，恢復第一種情況工作。

3.2.3 工件判別程序

工件判別[12]，依據工件的尺寸，在工件判斷機構自動地判別工件的種類，然后將工件按設置的通道分揀。由于工件的高度和大小總是有差異的，根據工件的組合判斷可以識別出工件的種類，程序如圖8所示。

圖8 工件種類判別程序

3.3 原點復位

當設備需要啟動自動運行時，需要先檢測整個傳送系統是否處于原點，避免程序執行時，每個動作未能正確執行。系統主要通過安裝在氣缸上的傳感器檢測每個氣缸是否在原點，從而確認系統是否在原點，復位必須在手動狀態下才能啟動。

3.4 運行參數設置與模式選擇

機床根據定單加工不同的工件，在傳送帶后面需要將工件進行識別和分揀，每個工位需要設置其要傳送的工件類型，以及不同的工件從不同的出料口輸出。

圖9 機種切換操作界面

A儲料道和B儲料道工件的選擇，通過機種切換功能可以將判別工件分別輸送到指定的通道。圖9是機種切換操作界面。

4 緊急停止及異常報警

緊急停止[10]是在系統出現異常或人為操作設備緊急停止的情況下運行，以保障設備和操作人員的安全的功能。緊急停止分為人為操作緊急停止和系統異常停止，人為操作緊急停止包括安全門打開、急停按鈕按下；系統異常急停包括變頻器異常、氣壓報警、傳感器故障、系統未在原點等情況。在系統運行前需清除所有異常狀況，才能自動運行，如果運行時發生異常，系統需立即停機，并進行異常去除。

異常報警[11]是一個設備非常重要的功能，設備正常時，設備才可以正常運行。設備出現異常時，程序能發出相應的報警信號，提示操作人員，設備異常。設備的異常有變頻器異常、氣壓異常、氣缸異常、系統不在原點、上次啟動判別后的工件未排除、A料道與設置不符、B料道與設置不符和工件異常等情況，當出現上面任一異常現象，設備將發出異常報警信號，整個傳送系統會立即停止，待異常排除后，按復位后才能消除報警。

5 結束語

基于Q系列PLC和CC-Link現場總線多機床工位間工件傳送系統是實現多工位串聯，不同工件同時生產傳送控制系統，系統經過在某汽車配件廠的生產運行，效果良好，運行穩定，經濟效益得到顯著提升。通過傳送系統將多個組合機床串聯起來，可以有效改善現有的單機自動化的模式，提升整車間協同生產的效率，向無人工廠的模式邁進了重要一步。工件傳送系統在多工件組合機床車間的運用，也可以給其他的多工位生產車間提供參考。