基于PLC控制的車架翻轉工位設計

李金義 王京

【摘要】本文通過對具體工程問題－車架的翻轉工位的具體分析，闡述了PIC控制的車架翻轉工位進行設計的工作過程，對設計這樣的PLC系統過程中的程序設計和硬件的相關問題進行了具體的分析，并提出了相應的措施，以期為此類系統的設計者提供有效的借鑒。

【關鍵詞】PLC；車架翻轉；分析

０引言

在工業自動化技術迅速發展的今天，PLC控制的氣動或液動控制系統在工業生產中的應用越來越普及。在我國的汽車生產領域，許多大型車體和配件進行人工操作不僅操作復雜、準確度低，而且容易因工人過于疲勞拖慢整條生產線的節拍，對企業的生產效率和產品質量都有很大的干擾。針對這種狀況，為了更便于生產，降低對工人的素質要求，提高生產效率和產品質量，我們采用PLC自動控制來實現汽車的自動化生產，減少人工操作造成的問題。本文針對汽車車架翻轉工位的具體問題，對PLC控制系統進行了具體的論述，為PLC系統在汽車生產中的應用提供了借鑒。

１PLC控制車架翻轉工位的設計及分析

１.1系統的組成及工作過程分析

車架翻轉工位教學培訓裝置實現模型汽車底盤翻轉動作，將模型汽車底盤翻轉180度，以實現對模型汽車底盤上下兩面進行裝配的工藝。車架翻轉工位教學培訓裝置由翻轉支持平臺、翻轉傳送皮帶電機、翻轉傳送皮帶、翻轉電機、車架夾緊氣缸、提升用滾珠絲杠組成。

圖1為本裝置示意圖立體圖圖2車架翻轉工位結構圖

其中，1是車架夾緊氣缸A ；2是翻轉電機A ；3是輸送皮帶電機；4是提升滾珠絲杠；5是車架夾緊氣缸B；6是翻轉電機B；7是翻轉支撐平臺。

如圖1所示，并根據圖描述各個部件之間的相對位置和連接關系。車架翻轉工位教學培訓裝置由翻轉支持平臺、翻轉傳送皮帶電機、翻轉傳送皮帶、翻轉電機、車架夾緊氣缸、提升用滾珠絲杠組成。翻轉支撐平臺通過地腳與脹管螺絲，與地面連接；翻轉傳送皮帶通過主動軸，進行傳動，側部通過電機安裝板、鍵、鍵槽，與翻轉傳送皮帶電機進行連接，達到機械傳動目的；翻轉電機分別通過電機支架與螺栓，安裝于翻轉機構的兩側，由同步帶及同步帶輪進行傳動；車架夾緊氣缸通過自帶的螺母，固定在翻轉電機的內側，并與翻轉電機連接；提升滾珠絲杠位于整個機構的中央部分，通過絲杠支撐座和固定座，與翻轉電機及夾緊氣缸連接。

車架翻轉工位工作流程：（１）車架由上一工位，通過翻轉輸送皮帶，定位在翻轉工位的指定位置；（2）提升用滾珠絲杠工作，將整個翻轉夾具下移至一定高度；（3）車架夾緊氣缸A、B同時工作，負責將車架與翻轉夾具固定；（4）提升用滾珠絲杠工作，將整個翻轉夾具以及車架提升，以便為車架的翻轉預留出足夠的空間；（5）翻轉電機A、B同時工作，通過同步帶和帶輪，將車架進行180度翻轉；（6）翻轉完畢后，將整個翻轉夾具下移至一定高度，夾具松開，車架經輸送帶進入下一工位。

1.2系統控制軟件設計分析

PLC控制系統的編程通常采用梯形圖語言，它是以掃描工作的方式進行順序動作的邏輯控制，其各部分的先后順序不太重要，但每條語句的輸入、輸出非常嚴格。系統編程通常包括以下幾個部分：（1）初始化命令，此命令主要目的在于對系統目前所處的狀態進行檢測和存儲，設置標志位等，為下一步的命令做好動作準備；（2）啟動系統程序，系統進行啟動之前，必須確定所有動作件處于零位（即停機位置），而針對氣缸要首先對其進行反向充氣，然后再將確保其進入初始位置；（3）手動控制系統程序，編寫此處的程序主要是為了完成手動控制面板所完成的動作，與自動控制系統的程序分開；（4）自動控制系統程序，通過完整的程序進行正?？刂频难h動作過程；（5）步進程序，在半自動條件下對系統進行步進控制，使系統緩慢工作；（6）急停程序，急停程序分為兩種，一種是危險急停，一旦啟動此程序，所有的電磁鐵斷電，所有氣缸保持原位，直到報警解除，另一種是軟急停，繼電器狀態保存，使所有對應電磁鐵輸出為零，這樣的狀態使氣缸保持原位，系統進入調整狀態，不會對工件和系統造成沖擊，當故障排除后，解除報警即可恢復運行；（7）復位程序，當系統需要緊急情況非正常停車時，沖擊會造成氣缸等錯位，需要手動調整復位，但手動復位的位置往往不夠精確，復位程序可以自動調整，使其回到初始位置；（8）停止程序，系統工作完成后在初始位置處于等待狀態，停止程序將使其進入停止位置，結束工作；（9）互鎖程序，為了保護系統在非正常操作的情況下發生干涉現象，加入互鎖程序是電路互相制約，避免發生意外；（10）報警程序，報警程序設置兩種情況下報警，一是氣缸或某運動部件動作越位或超過時間而沒歸位，另一種是氣源氣壓過低，無法正常工作。在進行具體的編程時，不一定十個部分必須都有，但為了設備及操作人員的安全，安全程序需要設計好，以防為企業造成較大的損失。

１.3PLC系統硬件設計分析

在PLC控制的車架翻轉工位系統中，需要的硬件分為以下幾類：（1）動力部分，電機、高壓氣源等；（2）控制部分，PLC控制器；（3）執行部分，氣缸、翻轉機構、傳動件等。在車架翻轉控制系統中，氣缸作為執行機構與PLC控制結合，大大提高了車架翻轉系統的靈活性和自動化程度，氣動控制有反應快、速度高的特點，但是在實際操作中由于氣體易壓縮以及PLC存在較大的I/O相應滯后的缺點，往往出現一定量的隨機誤差，尤其對于定位氣缸來說，其定位精度不高，某種程度上是犧牲了車架的部分質量的。為了解決這個問題，我們利用PLC自身的性能對這個問題進行彌補。

在PLC進行工作時，從定位傳感器發出信號，經控制器處理輸出執行信號到信號得到執行有一定的響應滯后時間，這就是I/O響應滯后時間，而這個響應時間是造成氣缸運動定位有較大隨機誤差的關鍵因素。造成I/O響應滯后時間的因素有3個，一是，輸入信號的響應時間t1，二是，程序執行掃描時間t2，三是，執行器反應時間t3，如日本三菱公司FX2系列的PLC控制器，其輸入滯后時間t1=4ms左右，程序掃描時間t2=3ms左右，而且程序越長，掃描時間越長，而執行器反應時間為t3=5ms左右，氣缸運動速度為1500mm/s，其隨機誤差可達18mm，而且執行程序越長，誤差越大。如果再考慮到氣缸易壓縮和電磁閥的機械滯后，其誤差更大，這對要求精確定位的系統是不允許的。

為了減少系統自身響應時間造成的誤差，需從縮小輸入響應時間、縮小輸出詳細時間和縮小掃描程序時間3個方面出發。首先要縮小PLC的I/O響應速度，即在PLC輸入端設置較多的輸入口，將它們的濾波時間設置成最小值50μs，這樣接口的信號輸入無需等待，大大減小了輸入響應時間；其次縮小輸出反應時間，即放棄傳統的繼電器輸出模式，改為晶體管開關輸出模式，其響應時間不超過2ms，從而達到縮小系統響應時間的目的；再次縮短程序執行掃描時間，因為程序的長度是不固定的，輸入信號的時刻也是不固定的，所以在接受到信號后再進行掃描既影響了I/O的相應速度，同時造成了滯后時間的不確定，無法進行補償，造成了誤差的隨機性，解決這個問題的最好辦法是采用中斷技術，這樣輸入信號的時間不會受掃描時間的影響，僅需要中斷程序的時間和執行中斷程序的時間，共0.3ms。經過這樣的改造后系統的響應時間縮短為2.35ms。

２結論

本文通過對車架的翻轉工位設計問題的分析，對基于PLC控制的車架翻轉工位在設計中面臨的軟件問題和硬件問題進行了詳細的論述，并對這些問題提出了相應的解決方案，以期能為車架翻轉工位設計人員提供一定的借鑒。

［責任編輯：曹明明］