基于PLC的高速碰焊機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

凌雷鳴

(鎮(zhèn)江領(lǐng)智機(jī)器人科技有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

0 引 言

自工業(yè)革命以來，物料存儲(chǔ)就一直是人們生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，尤其是大航海時(shí)代興起后，桶裝存儲(chǔ)在遠(yuǎn)洋貨運(yùn)中承擔(dān)著極為重要的角色[1]。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，在絕大多數(shù)行業(yè)傳統(tǒng)的木桶封裝已無法完全適應(yīng)不同的存儲(chǔ)介質(zhì)，于是金屬桶件就被用來填補(bǔ)市場存儲(chǔ)空缺，尤其是在存儲(chǔ)樹脂、油漆、硫酸等領(lǐng)域。而金屬桶口件作為金屬桶件不可或缺的重要組成部分，其生產(chǎn)加工也顯得尤為重要。桶口件的生產(chǎn)與制造本就屬于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造，其不可避免的存在設(shè)備老舊、工藝低端、效率低下等問題。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了基于PLC的高速碰焊機(jī)，其工作效率能夠達(dá)到90只/min，產(chǎn)能遠(yuǎn)超市場平均水平。

1 高速碰焊機(jī)的工作原理

一般來說當(dāng)前傳統(tǒng)的桶口件焊接設(shè)備均為直線式焊接設(shè)備，裝料、檢測、焊接以及出料均在一個(gè)執(zhí)行工位上完成，導(dǎo)致的結(jié)果就是焊接效率低下，而想要提高產(chǎn)能就不得不增加設(shè)備數(shù)量，導(dǎo)致的結(jié)果就是設(shè)備以及運(yùn)維成本的增加。本文介紹的高速碰焊機(jī)系統(tǒng)就能很好的解決當(dāng)下傳統(tǒng)桶口件碰焊機(jī)生產(chǎn)效率低下的問題，其執(zhí)行原理如下：

將原本在同一個(gè)工位上執(zhí)行的裝料、檢測、焊機(jī)以及出料功能拆分，通過轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，將這幾個(gè)工藝進(jìn)行銜接。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)采用伺服系統(tǒng)配合RV減速機(jī)，能夠在提高運(yùn)行速度的前提下增加定位精度；爪扣上料機(jī)構(gòu)采用伺服直線模組配合夾爪氣缸，提高上料速度；螺紋蓋上料機(jī)構(gòu)則采用了PP模組與夾爪氣缸的組合形式簡化了上料機(jī)構(gòu)，同時(shí)提高了上料效率[2]。由于焊接工藝存在先后順序，而在轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)中，為確保機(jī)構(gòu)無干涉，無法在每一個(gè)工位點(diǎn)設(shè)置檢測傳感器，此時(shí)可以通過設(shè)置PLC內(nèi)部程序標(biāo)志位的形式，將產(chǎn)品狀態(tài)依次遷移。如當(dāng)爪扣上料完成以后將工位標(biāo)志寄存器置1，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位就將此標(biāo)志寄存器前移，當(dāng)此置具移動(dòng)到螺紋蓋上料工位時(shí)，檢測到標(biāo)志寄存器狀態(tài)為1，則進(jìn)行螺紋蓋上料動(dòng)作，同時(shí)將此標(biāo)志寄存器置2，當(dāng)運(yùn)行到焊接工位時(shí)，置具標(biāo)志寄存器為2則焊接機(jī)動(dòng)作。上料機(jī)焊接機(jī)構(gòu)前序動(dòng)作均是獨(dú)立的，機(jī)構(gòu)將獨(dú)立運(yùn)行至放料前序動(dòng)作，通過程序內(nèi)部判斷此時(shí)對應(yīng)的置具狀態(tài)寄存器從而決定是否執(zhí)行后序動(dòng)作。這樣就能有效提高設(shè)備運(yùn)行效率，從而提高設(shè)備產(chǎn)能。

2 高速碰焊機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

本例中，涉及到的轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、爪扣上料機(jī)構(gòu)、螺紋蓋上料機(jī)構(gòu)均采用伺服控制，綜合考慮工藝需求、設(shè)備成本等方面后選擇西門子SMART200型PLC[3]，此PLC擁有三路脈沖口，能夠?qū)尤酌}沖型伺服。而焊接單元只需要通過IO信號口對接焊接信號及完成狀態(tài)即可。高速碰焊機(jī)的硬件電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 高速碰焊機(jī)硬件電路拓?fù)?/p>

由上圖可知，高速碰焊機(jī)是由轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)單元、爪扣上料單元、螺紋蓋緩存單元以及焊接單元組成，其中轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)單元起到了各機(jī)構(gòu)之間銜接的作用。

3 高速碰焊機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

高速碰焊機(jī)的軟件分為主控程序、轉(zhuǎn)盤單元程序、爪扣上料單元程序以及螺紋蓋上料單元程序，其中轉(zhuǎn)盤單元程序需要著重考慮伺服在無限長軸運(yùn)行狀態(tài)下的累計(jì)誤差消除問題；爪扣上料機(jī)構(gòu)單元程序需要著重考慮落料穩(wěn)定性的問題；螺紋蓋上料單元程序需要供料速度以及合蓋穩(wěn)定性的問題。

3.1 轉(zhuǎn)盤單元程序設(shè)計(jì)

上文中轉(zhuǎn)盤單元著重要考慮的問題就是如何在高轉(zhuǎn)速下確保伺服定位精度，同時(shí)要考慮在軟件內(nèi)部進(jìn)行伺服運(yùn)行累計(jì)誤差的消除。其解決方案是在伺服參數(shù)設(shè)置時(shí)盡量減少伺服的加減速時(shí)間，同時(shí)伺服每旋轉(zhuǎn)3圈，需要對伺服進(jìn)行一次尋找原點(diǎn)操作以便重新定位可以消除累計(jì)誤差。這樣就能既保證了轉(zhuǎn)盤運(yùn)行的速度，又保證了轉(zhuǎn)盤定位的精度。同時(shí)依靠伺服定位完成標(biāo)志位將上文所述狀態(tài)寄存器置位不同的狀態(tài)數(shù)值，確保其他機(jī)構(gòu)收到正確的置具狀態(tài)指令，以便完成其機(jī)構(gòu)的后序動(dòng)作。轉(zhuǎn)盤單元程序流程圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)盤單元程序流程圖

由轉(zhuǎn)盤單元程序可以看出，程序主要由兩個(gè)循環(huán)構(gòu)成，一個(gè)是轉(zhuǎn)盤自身運(yùn)行時(shí)需要消除累計(jì)誤差，所以在定位36次(3圈)后進(jìn)行的回零動(dòng)作；另一個(gè)是轉(zhuǎn)盤定位完成后將工位狀態(tài)信息前移。確保其他機(jī)構(gòu)在收到工位狀態(tài)后進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)單元核心部分程序如下：

A s3_A_turntable_operatio //轉(zhuǎn)盤定位完成

ED

MOVW PH_11Posstate, PH_12Posstate //標(biāo)志寄存器狀態(tài)前移

MOVW PH_10Posstate, PH_11Posstate

…

MOVW PH_2Posstate, PH_3Posstate

MOVW PH_1Posstate, PH_2Posstate

//

LD SV1_movedone

EU

LDW= c_cycle_count, +36 //定位36次(3圈)后周期尋原

A SV1_homedone

EU

O First_Scan_On

O a_seriousalarm

CTU c_cycle_count, +37

3.2 爪扣上料單元程序設(shè)計(jì)

設(shè)備初始化完成后，第一工位就是爪扣上料機(jī)構(gòu)，阻擋氣缸開啟，爪扣物料由于重力下落至夾爪氣缸處，夾爪氣缸抓取物料，隨同伺服直線模組運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤置具上方，此時(shí)判定轉(zhuǎn)盤定位完成，即將夾爪氣缸送開，物料落入置具中[4]。隨后重復(fù)執(zhí)行此過程，實(shí)現(xiàn)爪扣上料自動(dòng)化，同時(shí)在下一個(gè)工位對爪扣是否放置到位進(jìn)行光電檢測，確保置具上有物料。

圖3 爪扣上料單元程序流程圖

爪扣上料單元核心部分程序如下：

LD s_production_conditions

LPS

AN s_suspend

A s3_A_firstpick_qre //首次取爪扣標(biāo)志位

A i_sqemoveclCY1homePos

A i_sqepickclCY2homekPos

A SV2_homedone

S s3_A_SV2pickPos, 1 //判定伺服位置

R s3_A_firstpick_qre, 1

A i_sqemoveclCY1homePos

A i_sqepickclCY2homekPos

A PH_qrecheck

S s3_A_cylingwork, 1 //氣缸執(zhí)行動(dòng)作

R s3_A_SV2pickPos, 1

R s3_A_sqeworkagain, 1

LPS

AW<> PH_outcounts, +1

S s3_A_sqeworkagain, 1 //再次執(zhí)行動(dòng)作標(biāo)志位

LPP

R s3_A_SV2backpickPos, 1;

3.3 螺紋蓋上料單元程序設(shè)計(jì)

螺紋蓋上料單元位于爪扣上料單元之后，在準(zhǔn)備階段，螺紋蓋上料機(jī)構(gòu)就已經(jīng)提前完成了送料、抓取、移動(dòng)的動(dòng)作，此時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)盤伺服攜帶帶有爪扣的置具定位到螺紋蓋上料工位時(shí)，PP模組下落，并打開夾爪氣缸，此時(shí)螺紋蓋就能反扣于爪扣之上。同時(shí)在后一工位對螺紋蓋進(jìn)行有無檢測，確保到焊接工位前置具有物料。螺紋蓋上料單元程序流程圖如圖4所示[5]。

圖4 螺紋蓋上料單元程序流程圖

螺紋蓋上料單元程序的部分核心程序段如下：

LD s_production_conditions

LPS

AN s3_A_putaircationagain

S s3_A_firstdonelow, 1 //氣缸推料執(zhí)行動(dòng)作

LDN PH_circheck2

ON i_ciroutcyCY5workPos //夾爪氣缸執(zhí)行動(dòng)作

S s3_A_SV3pickPos, 1 //PP模組去放料

R s3_A_pickcircation, 1

R s3_A_outcir, 1

LRD

A s3_A_cirpickcation //PP模組去放料完成

LRD

A s3_A_SV3pickwaitePos2 //PP模組回取料位

EU

S s3_A_pickcirdone, 1

4 結(jié) 語

在金屬桶件需求日益增大的社會(huì)環(huán)境下，配套桶口件的需求也越來越多，而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)桶口件不僅效率低，成品率也不高，越來越跟不上客戶對桶口件產(chǎn)品本身的質(zhì)量與數(shù)量需求。同時(shí)實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果高速碰焊機(jī)，其工作效率能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的90只/min，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)操作人員也能通過友好人機(jī)界面時(shí)時(shí)關(guān)注設(shè)備運(yùn)行情況，當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生報(bào)警時(shí)能夠及時(shí)對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行檢修，保障了設(shè)備生產(chǎn)效率以及設(shè)備與人員安全。