基于西門子PLC的彈簧腿總成裝配臺控制系統的設計與實現

韓艷（長春一汽藍迪自動化工程有限公司，吉林 長春 130000）

孫杰（博世汽車部件（長春）有限公司，吉林 長春 130000）

現有的彈簧腿總成裝配臺大多數為使用一臺伺服電機[1]，使得其只能對長度相同或變化不大的彈簧進行壓縮裝配，生產類型單一，難以滿足目前工廠對多樣性的要求。本文通過增加一臺伺服電機控制在不同位置對彈簧的固定，只需簡單調試記錄其相應的行程，即可完成完整的壓縮裝配過程，實現了不同長度彈簧在同一個裝配臺的混合生產。

1 總體方案及流程

1.1 彈簧腿總成裝配臺的整體布局

彈簧腿總成裝配臺每次可同時生產一對彈簧腿總成，涉及人工參與的為放置減震器，放置彈簧以及放置隔振塊，其余過程全部自動完成。該設備共設16個氣缸，每個氣缸上裝有2個磁性開關，用于反映氣缸動作狀態，是處于上位還是下位；正常情況下，氣缸動作后，必定有一個磁性開關發號，以反映氣缸動作正常到位。本系統中其中一個擋塊氣缸由伺服電機控制其高度，如圖1中①所示，根據不同的彈簧腿總成種類，擋塊氣缸設置為不同的高度。

圖1 彈簧腿總成裝配臺布局圖

1.2 彈簧腿總成裝配臺的邏輯流程

彈簧腿總成裝配臺是一種動作復雜的裝配臺，其工作邏輯流程如圖2所示。首先確定所有氣缸處于初始位置，然后通過上位機下載所要生產的彈簧腿總成類型。放入減震器并掃描二維碼，裝配臺檢測到減震器正確并占位后自動夾緊。然后放入彈簧，按下雙手按鈕后裝配臺自動進行對彈簧的扶正、夾緊、壓縮以及通過影像識別對彈簧種類進行確認的過程。當壓縮完成后，放入隔振塊、螺母，再次按下雙手按鈕后電動扳手自動下降擰緊。當所有過程結束時，裝配臺自動將組裝合格的彈簧腿總成放置到初始位置，則完成了整個裝配的過程。在此過程中，一旦中途出現不合格情況，系統自動返回到上一步進行糾正，考慮到螺母的螺紋耐力性，當電動扳手擰緊不合格時，即認為該螺母失效，需要進行更換，更換3次仍然不合格時，認為該彈簧腿總成安裝失敗，需要將隔振塊人工取走，取走后按雙手按鈕，裝配臺完成自動下降拆卸。

圖2 彈簧腿總成裝配臺邏輯流程圖

2 電氣控制系統設計

2.1 硬件設計

該系統主控制器采用西門子公司的300系列PLC[2]。設備上的傳感器、按鈕、電磁閥、信號燈等開關信號連接到PLC的I/O模塊上，電動扳手等設備都通過PROFIBUS現場總線技術傳輸信號和數據到主控制器，從而保證了數據通訊的準確性、可靠性和實時性。為了做到更好的人機交互，配備了西門子公司的人機界面，顯示工件的實時信息，方便操作人員和管理人員實時查看裝配臺的壓裝信息。同時PLC上有工業以太網接口，與上位機通訊，在上位工控機上可以監視設備運行狀態。采用研華公司的工控機作為上位監控系統，組態王與主控制器PLC交換數據，將裝配臺的一些加工狀態數據保存到數據庫里?？紤]到裝配臺能夠進行不同配方生產，在人機界面中做了生產品種的選擇項，使得裝配臺能柔性的滿足各種產品的生產需要。

2.2 軟件設計

該系統軟件設計的關鍵在于將二維碼條碼槍及LENZE伺服控制器與西門子PLC進行數據傳輸。

該系統采用的二維碼條碼槍為串口通訊模式，為了將其與西門子PLC相連接，需要在機架上增加CP340模塊[3]，然后使用STEP 7庫文件中發送功能塊及接收功能塊：Libraries→CP PtP→CP340→FB3 P_SENT、Libraries→CP PtP→CP340→FB2 P_RCV。調用功能塊后得到的為16進制數，為了使程序簡單，采用模塊化編程，將16進制數依次轉換為字符格式，最終再將字符組合成字符串在程序中進行對比，同時在HMI上顯示。

LENZE伺服電機控制器有其專用的編程軟件Engineer HighLevel，本系統使用其2.17.0.0版本。在其Application Parameters中將使用的伺服電機進行硬件及通訊配置，以便與電腦及PLC進行連接。設置結束后可通過FB Editor對伺服控制器進行編程，如圖3所示，列出的為對伺服電機位置和速度的編程方式。最后在All parameters中找到控制器運行參數的word，將其與PLC中的控制字和狀態字依次對應，即可實現LENZE伺服控制器與西門子PLC進行數據傳輸。由此可見，當需要修改伺服電機速度等參數時，不必依賴于PLC，通過LENZE伺服電機控制器的專用編程軟件即可修改，并且簡單易懂，極大的減少了編程的工作量和繁瑣程度，提高了編程人員的工作效率。

圖3 Engineer HighLevel 編程界面

2.3 軟件實現

在伺服電機控制器中，首先需要對伺服電機參數進行設置。本系統中的伺服電機配置的為絕對值編碼器，絕對值編碼器具有位置唯一，無需記憶，無需尋找參考點等特點，因此具有穩定的抗干擾特性和數據可靠性， 通過Engineer HighLevel設置零點后，編碼器位置即可固定，進而通過PLC進行控制。

該裝配臺共三種控制方式：自動方式、手動方式、維修方式。在正常生產時，使用自動方式，對生產數據進行全面的傳送與記錄，顯示各工位的生產狀態。啟動工位電動扳手，左右設備同時滿足上一步條件后才能進行下一步動作。手動方式適用于裝配未調試配方，即新的彈簧腿總成類型，對不合格件的拆除。相關的按鈕在人機界面手動操作畫面上，如圖4所示。手動操作共有12組畫面組成，分別表示不同元件的動作。該畫面用于手動的操作及指導，點擊相應按鈕進入對應氣缸或伺服電機的操作畫面，如圖5所示，然后通過右下角的上一步下一步進行操作選擇。當生產出彈簧腿不滿足工藝要求時，需要手動進行拆除。點擊子頁面的返回按鈕即回到手動操作的主頁面。維修方式用于對設備的維修。

圖4 彈簧腿總成裝配臺手動總界面

圖5 彈簧腿總成裝配臺手動詳細界面

人機界面編程軟件使用的是西門子的WinCC Flexible，位于裝配臺懸臂上，共有22組畫面，用于指導生產裝配與故障維修，各組畫面可進行隨意的切換，根據生產的需要找到其相應畫面進行查看，如圖6-7所示。當需要下載配方、清除扳手數據等操作時，設置了相應的密碼，從而避免操作人員的誤操作，使得系統更加的穩定可靠。

圖6 彈簧腿總成裝配臺主界面

圖7 彈簧腿總成裝配臺條碼界面

3 結語

本系統通過增加一套伺服電機與PLC的結合，達到了在同一個裝配臺上生產不同品種彈簧腿總成產品，提高了不同產品的混合生產率，降低了機器及人工成本。由于全系統自動化生產，提高了產品的合格率和生產穩定性。利用伺服控制器編程減少了PLC編程的繁瑣程度，在以后對生產精度要求嚴格的系統中，可充分利用該方法。

[1] 嘉男. 伺服電機應用技術[M]. 北京: 科學出版社, 2010.

[2] 孫海維. SIMATIC可編程序控制器及應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2013.

[3] 鄧雁妮, 孫勇, 謝磊. 基于CP340的PLC與RKC溫控儀表通訊的實現[J]. 電氣自動化, 2006, (06).