基于PLC的整流器瀝青灌裝機(jī)械手及控制設(shè)計(jì)

牛麗 丁海波

摘 要：針對(duì)鎮(zhèn)流器在生產(chǎn)中灌裝瀝青時(shí)，大多為手持鎮(zhèn)流器配合灌裝機(jī)進(jìn)行人工灌裝，效率低，成本高。設(shè)計(jì)瀝青自動(dòng)灌裝機(jī)械手，介紹了機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)灌裝流程，采用三菱FX3U-48MT可編程控制器、MR-J3-20A伺服系統(tǒng)及觸摸屏組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，參數(shù)修改、選擇及監(jiān)控等功能，設(shè)備操作簡(jiǎn)單、控制精確、自動(dòng)化程度高，對(duì)提高鎮(zhèn)流器的生產(chǎn)效率、減少人工、降低成本具有重要意義。

關(guān)鍵詞：灌裝瀝青;機(jī)械手;自動(dòng)化;控制系統(tǒng)

Abstract：When ballast is filled with asphalt in production， most of them are manual filling with hand-held ballast and filling machine， which has low efficiency and high cost. Design the asphalt automatic filling manipulator， introduce the mechanical structure and automatic filling process in detail， and use Mitsubishi FX3U-48MT programmable controller， MR-J3-20A servo system and touch screen to form a control system to realize the control of the robot， parameter modification， Functions such as selection and monitoring， simple equipment operation， precise control， and high degree of automation are of great significance for improving the ballast's production efficiency， reducing labor， and reducing costs.

Key words：filling asphalt; manipulator; automation; control system

鎮(zhèn)流器是廣泛應(yīng)用于氣體放電燈啟動(dòng)和限流的控制器件，內(nèi)部含有硅鋼制作的鐵芯，鐵芯上纏繞漆包線，工作時(shí)鎮(zhèn)流器始終有電流通過(guò)，容易產(chǎn)生振動(dòng)與發(fā)熱[1]，氣體放電燈戶外照明時(shí)鎮(zhèn)流器還面臨雨水侵襲的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)r青具有散熱、絕緣、防水、防塵、防震及降噪等作用。實(shí)際生產(chǎn)中，鎮(zhèn)流器殼體內(nèi)通過(guò)瀝青灌裝機(jī)進(jìn)行瀝青灌裝填充，使得鎮(zhèn)流器能夠獲得增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度、降低工作溫度等性能的提升，從而延長(zhǎng)了使用壽命[2]。經(jīng)蘇州地區(qū)生產(chǎn)鎮(zhèn)流器的某外資企業(yè)反映，大多數(shù)鎮(zhèn)流器生產(chǎn)企業(yè)配備瀝青灌裝機(jī)，采用人工手持鎮(zhèn)流器進(jìn)行瀝青灌裝，二班生產(chǎn)，人力成本高，且加熱的瀝青還散發(fā)一些 刺激性氣味，長(zhǎng)期接觸具有健康隱患。為節(jié)約成本，提高效率，維護(hù)員工健康，生產(chǎn)實(shí)際也需求自動(dòng)灌裝設(shè)備代替人工。

1 整流器瀝青自動(dòng)化灌裝方案

設(shè)備都是為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝服務(wù)的，自動(dòng)化設(shè)備也不例外。設(shè)計(jì)整流器瀝青自動(dòng)化灌裝設(shè)備方案首先需要了解整流器瀝青灌裝生產(chǎn)工藝，了解人工灌裝的動(dòng)作流程，作為設(shè)計(jì)瀝青自動(dòng)化灌裝方案的基礎(chǔ)與必要依據(jù)，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的自動(dòng)化灌裝設(shè)備才能更好的與灌裝機(jī)配合，更好地融入原來(lái)的生產(chǎn)線。

1.1 人工灌裝瀝青工藝說(shuō)明

人工灌裝瀝青過(guò)程為，人工從傳送帶拿起鎮(zhèn)流器至灌裝機(jī)灌裝口處，腳踏啟動(dòng)灌裝機(jī)，灌裝過(guò)程中，人為往復(fù)移動(dòng)鎮(zhèn)流器，使得瀝青盡可能短的時(shí)間內(nèi)在鎮(zhèn)流器內(nèi)分布均勻，同時(shí)因?yàn)r青比較粘稠，往復(fù)移動(dòng)可以防止溢出，灌裝時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌裝機(jī)自動(dòng)停止，人工將灌好瀝青的鎮(zhèn)流器移送到工作臺(tái)，完成一個(gè)人工灌裝的生產(chǎn)工藝過(guò)程。瀝青流動(dòng)速度及灌裝時(shí)間根據(jù)不同型號(hào)的鎮(zhèn)流器進(jìn)行灌裝測(cè)試，取得合適的參數(shù)并保存在灌裝機(jī)中，生產(chǎn)時(shí)直接調(diào)出相關(guān)工藝數(shù)據(jù)。

1.2 瀝青自動(dòng)灌裝方案

增加自動(dòng)灌裝設(shè)備的目的就是代替人力工位，為減少投入，盡量減少對(duì)原先生產(chǎn)線的改動(dòng)，這樣比較便捷的方式就是設(shè)備模仿人工的灌裝動(dòng)作。根據(jù)人工灌裝瀝青的動(dòng)作過(guò)程，需要一個(gè)類似于人手的機(jī)械手，對(duì)鎮(zhèn)流器進(jìn)行抓取，然后精確移動(dòng)到灌裝機(jī)灌裝口處，相對(duì)于灌裝口進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，灌裝完成后移動(dòng)到產(chǎn)線的下一工位，機(jī)械手放下鎮(zhèn)流器，灌裝結(jié)束。設(shè)計(jì)以升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣爪構(gòu)成三自由度機(jī)械手，并安裝在滾珠絲杠上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，為應(yīng)對(duì)同一系列不同尺寸的鎮(zhèn)流器移動(dòng)位置及便于調(diào)試、操作，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC控制[3]。瀝青自動(dòng)化灌裝方案如圖1所示，圖1左上角為需要灌裝瀝青的鎮(zhèn)流器外殼。

設(shè)備初始狀態(tài)為機(jī)械手在右側(cè)待抓取鎮(zhèn)流器位置。瀝青自動(dòng)灌裝設(shè)備的動(dòng)作流程為：鎮(zhèn)流器到位 → 機(jī)械手下降 → 氣爪閉合抓取鎮(zhèn)流器 → 機(jī)械手上升 → 機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°同時(shí)左移到灌裝位 → 瀝青灌裝往復(fù)運(yùn)動(dòng) →灌裝結(jié)束 → 機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°同時(shí)左移至傳送帶 → 機(jī)械手下降 → 氣爪張開放置工件 → 機(jī)械手上升 → 機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°同時(shí)右移至鎮(zhèn)流器抓取位。

2 自動(dòng)灌裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明

瀝青自動(dòng)灌裝設(shè)備機(jī)械組成上比較簡(jiǎn)單，由機(jī)架、機(jī)械手及絲杠組成。該設(shè)備重量輕、動(dòng)載小，選用100X100的鋁型材搭建。機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)考慮到工裝設(shè)計(jì)兼顧量大的品種并盡可能的適應(yīng)更多外形尺寸的鎮(zhèn)流器類型。鎮(zhèn)流器外殼如圖1左上角所示，生產(chǎn)企業(yè)提供常用鎮(zhèn)流器長(zhǎng)度為167-248毫米，寬度為65-87毫米。機(jī)械手夾持鎮(zhèn)流器，與鎮(zhèn)流器長(zhǎng)度與寬度兩個(gè)尺寸有關(guān)，長(zhǎng)度方向通過(guò)長(zhǎng)臂形工裝滿足，寬度方向尺寸大小影響機(jī)械手的通用性。選用開合行程為22毫米的亞德客平行型氣爪HFZ32，以適應(yīng)不同寬度尺寸的鎮(zhèn)流器，同時(shí)重復(fù)動(dòng)作精度±0.02毫米也為機(jī)械手在抓取位時(shí)有11毫米的容差，這對(duì)鎮(zhèn)流器的定位精度大大降低要求。該氣爪在0.5 MPa氣體壓力作用下，可產(chǎn)生160 N的夾持力，該力量足以應(yīng)對(duì)鎮(zhèn)流器及瀝青重量，以上氣爪的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于亞德客公司產(chǎn)品手冊(cè)。為保證機(jī)械手在升降及旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，選用旋轉(zhuǎn)氣缸及三桿氣缸，三桿氣缸完成升降機(jī)械手動(dòng)作，具體型號(hào)與參數(shù)不一一描述。三桿氣缸與絲杠相連，旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)連接件與三桿氣缸相連，氣爪通過(guò)連接件與旋轉(zhuǎn)氣缸相連，工裝裝在氣爪上組成機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。旋轉(zhuǎn)氣缸有抓取位灌裝位及傳送位三個(gè)工作位置，因空氣器的可壓縮性等因素導(dǎo)致氣動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，設(shè)置兩桿氣缸起定位作用，保證機(jī)械手在抓取、灌裝機(jī)傳送位時(shí)位置準(zhǔn)確。機(jī)械手由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，各氣動(dòng)執(zhí)行元件由電磁閥控制，采用排氣節(jié)流進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)，因旋轉(zhuǎn)氣缸有3個(gè)工作位置，選用O型功能三位閥[4]，其氣動(dòng)回路如圖3所示。

3 瀝青自動(dòng)化灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在完成瀝青灌裝機(jī)械手的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)瀝青自動(dòng)化灌裝控制系統(tǒng)，用來(lái)控制灌裝機(jī)械手動(dòng)作，適時(shí)啟動(dòng)灌裝機(jī)與機(jī)械手配合，最終完成瀝青自動(dòng)灌裝。在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，需要滿足設(shè)備的控制要求，比如調(diào)試時(shí)為了能夠便捷地找出合適的機(jī)械手到抓取位、灌裝位及傳送位的位移與速度，以及不同型號(hào)的鎮(zhèn)流器在灌裝機(jī)下往復(fù)移動(dòng)的速度、位移，這些參數(shù)能夠設(shè)定與保存，后續(xù)鎮(zhèn)流器型號(hào)增減時(shí)需要系統(tǒng)可以擴(kuò)展或刪除相應(yīng)的參數(shù);設(shè)備運(yùn)行時(shí)能夠直觀地顯示設(shè)備的工作狀況、運(yùn)行參數(shù)、故障檢測(cè)及報(bào)警信息;系統(tǒng)具備自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)運(yùn)行兩種形式，自動(dòng)運(yùn)行用于穩(wěn)定連續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)，手動(dòng)形式用于調(diào)試、設(shè)備維護(hù)等;在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，能夠隨時(shí)停止當(dāng)前動(dòng)作，遇到故障或緊急情況能夠隨時(shí)停止所用設(shè)備動(dòng)作;以及需要考慮瀝青罐裝設(shè)備與灌裝機(jī)之間控制信息的交互問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)選用可編程邏輯控制器（PLC）與伺服電機(jī)組成高精度的位置控制，選用觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)時(shí)與PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等信息交互[5]。通過(guò)繼電器改造灌裝機(jī)腳踏啟動(dòng)裝置，需要啟動(dòng)灌裝機(jī)時(shí)，PLC輸出使得繼電器線圈通電，常開觸點(diǎn)閉合代替腳踏接通灌裝機(jī)啟動(dòng)回路，同時(shí)引出灌裝機(jī)設(shè)定灌裝時(shí)間到達(dá)后，停止灌裝機(jī)信號(hào)輸入到PLC并使繼電器線圈斷電?？刂葡到y(tǒng)方案架構(gòu)如圖4所示，圖中虛線為控制系統(tǒng)最終控制相關(guān)動(dòng)作的執(zhí)行對(duì)象。

3.1 控制系統(tǒng)硬件選型

3.1.1 PLC

控制器作為控制系統(tǒng)的核心，要求安全、可靠，能夠適應(yīng)連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間使用的工業(yè)環(huán)境。因控制器要控制伺服系統(tǒng)，需要有脈沖量輸出。同時(shí)根據(jù)控制系統(tǒng)I/O（輸入/輸出）點(diǎn)的數(shù)量，選用工作穩(wěn)定、通信接口豐富、編程簡(jiǎn)單的三菱晶體管輸出的可編程控制器FX3U-48MT，I/O各24點(diǎn)，根據(jù)I/O點(diǎn)分配原則，氣動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件檢測(cè)氣缸活塞位置傳感器作為PLC輸入信號(hào)地址X10-X21，PLC輸出控制電磁閥線圈的信號(hào)地址Y5-Y13，其它地址分配及PLC與其它硬件接線如圖5所示。

3.1.2 觸摸屏

觸摸屏通過(guò)與PLC通信建立連接，利用制作的參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、報(bào)警信息等控制界面監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的有效控制。選用臺(tái)達(dá)DOP-B10S615彩色10寸觸摸屏，通過(guò)RS422通訊接口與PLC相連。

3.1.3 伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服控制由伺服驅(qū)動(dòng)器、含有編碼器的伺服電機(jī)等組成，它是一種以機(jī)械位置或角度進(jìn)行精細(xì)化、高精度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)伺服電機(jī)選型計(jì)算流程，分別計(jì)算出伺服電機(jī)的軸上負(fù)載慣量、轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需扭矩，根據(jù)伺服電機(jī)選型原則：連續(xù)工作扭矩小于額定扭矩，工作瞬時(shí)最大扭矩小于電機(jī)加速時(shí)最大扭矩，負(fù)載慣量小于3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量以及連續(xù)工作速度小于額定轉(zhuǎn)速[6]。選擇功率為200瓦的三菱HF-KP23B伺服電機(jī)與MR-J3-20A驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)控制的需要，PLC提供脈沖串、脈沖方向及使能信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器提供伺服報(bào)警信號(hào)給PLC。參考三菱MR-J3-A伺服放大器技術(shù)資料集進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及伺服控制接線，伺服接線如5所示。

3.1.4 傳感器

使用傳感器檢測(cè)各動(dòng)作元件、物料等當(dāng)前的狀態(tài)，并將信息傳送給PLC結(jié)合控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。機(jī)械手氣動(dòng)執(zhí)行元件選用亞德客配套的磁感應(yīng)傳感器檢測(cè)活塞位置，絲杠選用歐姆龍EE-SX670槽式光電開關(guān)作為極限與原點(diǎn)檢測(cè)，抓取位與傳送位工件檢測(cè)選用歐姆龍E3ZD61光電傳感器，在抓取位檢測(cè)有工件，機(jī)械手下降抓取，否則等待;在傳送位檢測(cè)無(wú)工件，機(jī)械手下降釋放工件，否則等待。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件在程序的配合下，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備動(dòng)作的監(jiān)控，軟件的設(shè)計(jì)要不僅要考慮到設(shè)備的動(dòng)作流程，手動(dòng)、自動(dòng)等動(dòng)作模式以便調(diào)試、運(yùn)行及維保時(shí)能夠操作便捷，還要考慮到程序自身的結(jié)構(gòu)，做到程序易讀，易修改，可擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)調(diào)試修改，盡可能減少冗余，提高程序執(zhí)行效率。以機(jī)械手自動(dòng)瀝青灌裝的動(dòng)作流程作為參考，結(jié)合控制要求及控制程序自身的要求，得出控制系統(tǒng)PLC控制流程，如圖6所示。

設(shè)備開機(jī)時(shí)，程序先進(jìn)行初始化，使得設(shè)備在初始狀態(tài)，為后續(xù)自動(dòng)灌裝動(dòng)作做好準(zhǔn)備，同時(shí)觸摸屏依次跳出灌裝機(jī)是否準(zhǔn)備好與鎮(zhèn)流器型號(hào)選擇的提示界面，人為選擇后，已儲(chǔ)存的該型號(hào)鎮(zhèn)流器參數(shù)，伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù)將被自動(dòng)調(diào)用，保證動(dòng)作正確，產(chǎn)品更新只要重新選擇相應(yīng)的型號(hào)即可。選擇設(shè)備運(yùn)行模式，自動(dòng)模式下，按觸摸屏啟動(dòng)與X4啟動(dòng)按鈕都可以啟動(dòng)設(shè)備，機(jī)械手按瀝青灌裝流程自動(dòng)運(yùn)行;手動(dòng)模式下，觸摸屏中機(jī)械手組成氣動(dòng)元件及伺服各動(dòng)作按鈕可實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行相應(yīng)動(dòng)作對(duì)應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、調(diào)試或維護(hù)的動(dòng)作[15]。選擇自動(dòng)模式時(shí)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)保證觸摸屏控制界面中手動(dòng)模式里的觸摸按鈕不起圖7.PLC控制流程圖作用，同樣在手動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)控制中的啟動(dòng)與停止觸摸按鈕不起作用，這樣可避免誤操作。使用觸摸屏編輯軟件設(shè)計(jì)主要包括初始界面、控制界面、參數(shù)配置、報(bào)警信息等界面，部分界面如圖7所示，界面設(shè)計(jì)主要配合PLC程序功能，并使PLC程序得到簡(jiǎn)化。

4 結(jié) 論

根據(jù)人工灌裝瀝青動(dòng)作，設(shè)計(jì)瀝青灌裝機(jī)械手，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手應(yīng)對(duì)多個(gè)型號(hào)鎮(zhèn)流器罐裝的通用性要求，借助于長(zhǎng)臂形工裝與平行氣爪結(jié)合的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，采用PLC、觸摸屏及伺服系統(tǒng)等組成控制系統(tǒng)，直接調(diào)用儲(chǔ)存的產(chǎn)品參數(shù)，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手多型鎮(zhèn)流器代替人力的瀝青自動(dòng)灌裝。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，除灌裝瀝青的往復(fù)移動(dòng)時(shí)間，一個(gè)工作循環(huán)用時(shí)5-7秒，相比于易疲勞的人工灌裝，一個(gè)班次的生產(chǎn)效率可提高約1倍，且不受瀝青刺激性氣味的影響。設(shè)備易損件少，維護(hù)成本低，在機(jī)械手容差范圍內(nèi)，可根據(jù)生產(chǎn)需要增加產(chǎn)品數(shù)據(jù)以適應(yīng)新型號(hào)鎮(zhèn)流器瀝青罐裝。因設(shè)備的投入低于當(dāng)?shù)匾幻僮鞴さ哪晷?，企業(yè)一年內(nèi)可收回投入。灌裝機(jī)械手在提高企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度的同時(shí)，為企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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