基于PLC的開關(guān)電源外殼生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖艷軍 馬學(xué)為 朱 博 關(guān)玉明

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，目前被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備。開關(guān)電源的廣泛使用，使得開關(guān)電源外殼的生產(chǎn)需求量猛增。開關(guān)電源外殼生產(chǎn)主要完成卷材矯平、沖孔切角、落料、折彎、攻絲、放鉚釘、沖壓鉚釘?shù)葞讉€(gè)主要加工工藝。目前每道工序都是通過人工操作機(jī)器的方式完成，且每道工序間都需要人員進(jìn)行物料的搬運(yùn)。這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的同一性，生產(chǎn)效率低下，安全隱患多。在原有工藝路線基礎(chǔ)上對(duì)工藝進(jìn)行整合、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平、提高企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)含量是急需解決的核心問題。設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)線可以很好地解決這些問題，并提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭力。本項(xiàng)目采用PLC作為控制核心，系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易使用方便，編程簡單 ，能適應(yīng)各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境，抗干擾能力很強(qiáng)。在工業(yè)生產(chǎn)控制過程中，PLC的使用在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。

1 自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程

卷材首先經(jīng)過矯平裝置將板料矯平，再經(jīng)過沖壓機(jī)上安裝的跳步模下壓完成沖孔切角、落料和折彎，至此外殼成型;將成型的外殼抓取至傳送帶上，傳送帶前進(jìn)將外殼送至機(jī)械手2的起始位置下方，然后機(jī)械手2將外殼抓起并傳送到攻絲機(jī)部分，攻絲機(jī)對(duì)外殼進(jìn)行相應(yīng)位置的攻絲;攻完絲后，機(jī)械手4把外殼搬運(yùn)到放鉚釘裝置上，由于工件放置的位置不同，故機(jī)械手4在傳送過程中需將工件旋轉(zhuǎn)180°;等放鉚釘裝置完成鉚釘?shù)淖詣?dòng)安放動(dòng)作后，由機(jī)械手6把放好鉚釘?shù)耐鈿み\(yùn)送到第2臺(tái)沖壓機(jī)上沖壓鉚釘，最后把沖壓好的工件由機(jī)械手6放到輸送皮帶上運(yùn)走。考慮到產(chǎn)品的形狀、加工位置和材料，3臺(tái)機(jī)械手都是采用真空吸盤實(shí)現(xiàn)工件的拾取。整個(gè)過程由機(jī)械手、傳送帶、沖壓機(jī)和攻絲機(jī)等配合完成開關(guān)電源外殼自動(dòng)流水線的生產(chǎn)工藝流程。其工藝流程示意圖與實(shí)際工位布置示意圖如圖1和圖2所示。

2 控制系統(tǒng)核心硬件選擇

根據(jù)工藝流程，控制系統(tǒng)需要控制1臺(tái)矯平機(jī)，2臺(tái)壓機(jī)，2條傳送帶，3臺(tái)機(jī)械手，1臺(tái)攻絲機(jī)和1臺(tái)放鉚釘裝置。根據(jù)需要檢測(cè)的信號(hào)，選擇7個(gè)E3F3－D11M型光電傳感器和6個(gè)Z－15GL型行程開關(guān)。根據(jù)傳感器、磁性開關(guān)、行程開關(guān)、按鈕等的數(shù)量統(tǒng)計(jì)共有53個(gè)輸入點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)執(zhí)行元件統(tǒng)計(jì)共有46個(gè)輸出點(diǎn)。由此選擇PLC:西門子S7－200 226CPU，24輸入/16輸出;S7－200 CN系列開關(guān)量輸入輸出擴(kuò)展模塊，8輸入/8輸出;S7－200系列擴(kuò)展模塊16輸入/16輸出(兩臺(tái))。共計(jì)64輸入點(diǎn)，56輸出點(diǎn)，輸入輸出點(diǎn)各預(yù)留出了17%和18%。

Kinco伺服系統(tǒng)3套，主要控制3臺(tái)機(jī)械手的移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)工位的精確定位;Kinco步進(jìn)系統(tǒng)一套，實(shí)現(xiàn)傳送帶的送料功能;人機(jī)交互選擇使用 MCGS的TPC7062KS觸摸屏，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。系統(tǒng)控制柜的實(shí)物照片如圖3。

3 真空吸盤氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目不僅用到了各種氣缸，吸盤在機(jī)械手上的應(yīng)用也是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。機(jī)械手通過吸盤抓取工件，要求抓取穩(wěn)定準(zhǔn)確，真空吸盤氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)如圖4所示。電磁閥通電后，氣體高速通過真空發(fā)生器并在其輸出口產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)吸盤和工件表面形成一個(gè)密閉的負(fù)壓空間，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的拾取，真空壓力開關(guān)可以檢測(cè)到負(fù)壓的存在并將信號(hào)傳送到PLC內(nèi)部，通知PLC吸盤的抓取動(dòng)作完成，從而進(jìn)行下一步動(dòng)作。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在線修改參數(shù)，并具有實(shí)時(shí)監(jiān)控，故障報(bào)警和效率計(jì)算等功能。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)了主界面、報(bào)警界面和機(jī)械手等多個(gè)操作監(jiān)視界面。每個(gè)界面可以看到相應(yīng)部分的實(shí)際工作狀態(tài)，并可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。觸摸屏程序擁有友好界面、設(shè)計(jì)合理、操作簡單、安全可靠以及具有很高的實(shí)用價(jià)值等特點(diǎn)。觸摸屏主界面如圖5所示。

該項(xiàng)目生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，根據(jù)工藝路線和機(jī)械動(dòng)作的先后順序，畫出程序流程圖(如圖6)并編寫PLC程序，編寫控制程序時(shí)需要注意工藝之間的協(xié)調(diào)與約束，尤其是程序必須保證機(jī)械手準(zhǔn)備好壓機(jī)才可下壓完成動(dòng)作，否則將對(duì)設(shè)備造成重大損害。具體編程采用模塊化編程方法，設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種工作方式，自動(dòng)模式的情況下機(jī)械手能夠配合沖壓機(jī)和攻絲機(jī)等連續(xù)動(dòng)作，手動(dòng)模式主要目的是方便維護(hù)人員調(diào)試，操作簡單，安全可靠。

5 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中的問題及解決方法

(1)調(diào)試過程中燒掉了兩個(gè)真空壓力開關(guān)。分析認(rèn)為由于壓力開關(guān)直接接到了24 V和0 V之間，沒接電阻，萬用表測(cè)定電流值過大，超過了說明書上標(biāo)注的5～40 mA的范圍。將壓力開關(guān)接到PLC的輸入點(diǎn)和0 V之間，由于PLC內(nèi)部電阻而起到限電流的作用，經(jīng)過調(diào)試后問題解決。

(2)機(jī)械手2傳送部分運(yùn)用了單個(gè)電磁閥控制雙氣缸同步上下運(yùn)動(dòng)的方案，但是實(shí)際調(diào)試過程中兩個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)不同步。分析認(rèn)為由于氣缸的阻力大小、氣缸和接頭的密封性、氣缸之間的制造差異性和管路氣壓的分配損失都能影響到氣缸的同步。在氣缸的接口加調(diào)速閥，分別調(diào)節(jié)兩個(gè)氣缸的氣流量，可達(dá)到基本同步的目的。

(3)手動(dòng)調(diào)試機(jī)械手2下位移動(dòng)時(shí)撞到氣缸。分析認(rèn)為由于電動(dòng)機(jī)移動(dòng)和氣缸升降單獨(dú)控制，所以在實(shí)際操作過程中，很容易使操作者誤操作而撞到氣缸。在電動(dòng)機(jī)移動(dòng)程序中加上氣缸的上升條件進(jìn)行程序互鎖，可以避免操作手動(dòng)調(diào)試過程中的失誤，提高手動(dòng)調(diào)試的安全性。

解決了上述調(diào)試過程中遇到的問題，生產(chǎn)線進(jìn)入自動(dòng)化運(yùn)行階段，設(shè)備可長時(shí)間可靠運(yùn)行。PLC程序經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)可靠穩(wěn)定。

6 結(jié)語

經(jīng)過生產(chǎn)線操作人員的確認(rèn)及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，整個(gè)生產(chǎn)線工作穩(wěn)定可靠，可以進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。改善了高強(qiáng)度的生產(chǎn)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源外殼的生產(chǎn)自動(dòng)化，減少了人為操作的危險(xiǎn)，達(dá)到了高效益、高品質(zhì)的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前該生產(chǎn)線的運(yùn)行效率相比過去的傳統(tǒng)人工生產(chǎn)，效率提高了60% ～80%，產(chǎn)品的質(zhì)量也有一定的提高，提高了企業(yè)在行業(yè)內(nèi)的綜合競爭力。

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