沖壓自動化控制原理及故障分析

周國平

為提高生產效率，提高沖壓自動化程度，2013年我公司從韓國引進沖壓自動化技術，由機器人操作代替了人工操作，由PLC控制代替了人工控制，先后安裝了2條沖壓自動化生產線。

1.自動化線配置

自動化線的配置主要包含壓力機、機械手及自動化系統。壓力機有沃得精機JH21-200、JH21-250、JH21-315；韓國信佩4000kN、6000kN、10000kN。機器人日本安川機器人MH50、ES165D。自動化系統（韓國）：操作臺——三菱Q，CClink 32DT、堆垛臺×2、整理臺、傳送帶×2。

2.自動化操作控制原理

（1）自動化沖壓線概況 如圖1所示，紅色R代表機器人（Robot），綠色P代表壓力機（Press）。自動化沖壓線的工作順序按照：①～②R1從堆垛臺吸起料片并放到整理臺上。③～⑤R2從整理臺吸起料片并放到二張檢測位置進行檢測，然后放入P1進行沖壓。⑥～⑦R3把P1中沖好的料片吸起然后送到P2中進行沖壓。⑧～⑨R4把P2中沖好的料片吸起然后把料片送到P3中進行沖壓。R5把P3中沖好的料片吸起然后放到P4中沖壓。R6把P4中沖好的料片吸起并放到傳送帶上。按這13個步驟進行，并以此往復。

（2）取放料工作過程 為更詳細了解自動化中沖壓線是如何實現機器人與壓力機配合工作，我們針對機器人R2的取料、檢測、上料及機器人R3取料流程為例，進行動作分析，如圖2所示。

第一步，機器人R2向整理臺取料。如圖3所示，當整理臺上有料片時，整理臺上的接近傳感器會發生感應，指示燈變亮。當機器人R1不向整理臺投放料片時，整理臺會給機器人R2發送一個要求機器人R2去取料的信號。

當機器人R2接收到信號后，開始向整理臺料片上方運動，并準備吸料。如圖4所示，當機器人R2吸料時，真空傳感器會進行監控。當料片被吸住時，真空傳感器上的顯示屏會變成紅色，并把信號反饋給機器人R2，傳輸到機器人R2料片已經吸住，可以執行下一步。于是，機器人R2吸著料片離開整理臺，向兩張檢測的位置前進。真空傳感器的作用在于保證機器人R2吸住料片。

圖1 自動化沖壓線工作流程

圖2 R2工作流程

圖3 R2取料

第二步，兩張檢測。如圖5所示，此時機器人R2已經帶著料片來到了兩張檢測的位置進行檢測。兩張檢測的目的在于檢測機器人所吸料片的厚度，保證只有一張料片進入壓力機P1進行沖壓。如果檢測裝置檢測正常，只有一張料片，則傳感器顯示綠色，表示檢測合格，機器人R2執行上料程序。否則傳感器顯示為紅色，機器人P2執行扔料程序。

第三步，上料、沖壓、離開。如圖6所示，如果兩張檢測確認機器人R2只吸到一張料片，則機器人R2會帶著料片來到壓力機P1沖壓區域外進行等待，這里是為了保證機器人只有在安全情況下才進入沖壓區域。

如圖7所示，當壓力機在350°～10°、機器人R3不向壓力機P1取料、壓力機P1無料片等條件同時滿足時，會反饋信號給機器人R2要求機器人到壓力機P1模區放料。于是機器人R2帶著料片來到壓力機P1模具的上方。這是個保護條件，保證機器人R2不在壓力機P1沖壓時放料，機器人R2不在機器人R3取料時放料，不在壓力機P1上有料時放料，這就是上文所述的安全保護情況。

如圖8所示，當機器人R2帶著料片來到模具上方時，會輸出一個信號給真空泵，要求關閉真空泵，停止吸氣。與此同時，真空傳感器進行監控。如果真空傳感器無信號，并顯示為綠色時，表示料片已放下。此處真空傳感器的作用在于保證料片落在沖壓區域。

如圖9所示，當真空傳感器沒有感應到吸氣時，則機器人R2會直接接收到確認料片落在模具上的信號，于是機器人R2離開沖床工作區域等待整理臺下一次給機器人發送取料信號。在機器人R2離開后，會發送信號給壓力機P1，表示它已到了安全區域可以沖壓了。當壓力機P1收到信號時，執行一次沖壓。此次也是起保護作用，保證沖壓時無機器人放料取料，保證設備安全。

第四步，機器人R3取料。如圖10所示，與此同時，機器人R3在壓力機P1沖壓區外等待。當壓力機P1沖壓一次過后會給等待的機器人R3發送一個信號。當壓力機P1在350°～10°且壓力機P1上有料、機器人R2不向壓力機P1放料同時滿足時，機器人R3開始動作進行取料過程。取料原理同機器人R2取料過程。這樣，機器人R2的取料、檢測、上料、沖壓完成一個循環，這一循環就簡單介紹清楚了，該種信號的交流方式適用于整個自動化系統。

3.機器人R2動作PLC控制原理詳解

在取放料工作過程中，我們對機器人R2的工作流程做了一個簡單的PLC動作解析。但要深入了解機器人與PLC、壓力機之間信號的聯系，或以后對自動化系統進行改造、優化，我們要對機器人和PLC的內部程序進行了解。因此，我們摳出上節機器人R2運動過程中的上料、沖壓、離開這段內容，在程序層面上進行更深入的分析。機器人R2的上料過程從兩張料片檢測合格后講起。

圖4 R2吸料

圖5 兩張檢測

圖6 R2等待沖壓

圖7 R2上料

圖8 放料

圖9 沖壓

圖10 R3取料

如圖11所示，兩張檢測合格后，PLC會輸入一個信號給機器人，于是機器人R2執行內部的上料程序，如圖所示機器人內部程序跳轉到0040 *OK開始。然后機器人R2運行到壓力機P1沖壓區外部，并停止等待，等待信號IN10，IN10就是觸發機器人R2執行上料程序的信號（MOVJ為機器人內部使機器人運行到目標位置的程序）。

如圖12所示，在PLC內部程序中，當壓力機P1在350°～10°、機器人R3不向壓力機P1上料、壓力機P1上無料片3個條件同時滿足時，壓力機會對PLC輸出信號Y379（IN10），這就是機器人R2在沖壓區外所等待的信號IN10，并且該信號會通過PLC輸入機器人R2。這段程序的意思就是說當滿足以上條件時，壓力機P1會告訴機器人R2現在可以進入沖壓區域上料了。

如圖13所示，回到機器人內部程序，當機器人R2接收到信號IN10后，會執行內部程序，輸出信號OT10，這個信號起反饋、保護作用，意思是說在發出這個信號后，機器R2上料這段過程中，壓力機P1不允許沖壓并且機器人R3不允許向壓力機P1中取料，這樣就保證了機器人和壓力機之間不會因為信號沖突而導致危險事故。在發出信號OT10后，機器人R2執行內部程序，帶著料片運動到壓力機P1模具上方。

如圖14所示，在機器人R2吸著料片到達壓力機模具上方的時候，會輸出信號OT16，并把OT16輸入到PLC，然后經過PLC輸出信號Y36B，Y36B會把機器人R2上的真空泵關閉，使其停止吸氣，并停下等待。于是，料片會落在壓力機1的模具上。

如圖15所示，機器人R2上的真空傳感器始終保持監控。當料片落下時，真空傳感器會監控無料片，使PLC常閉軟原件X349通路，直接輸入信號X349給PLC。于是PLC輸出信號IN16，并輸入IN16給機器人，告訴機器人料片確實已經在模具上了，可以進行下一步動作。這就是機器人放完料片后停下等待的信號。

如圖16所示，接收到信號IN16后機器人R2執行內部程序，離開沖壓區域，并輸出信號關斷之前進入壓力機P1時所發出的信號OT10，告訴PLC它離開了，從現在開始起壓力機P1的沖壓與機器人R3的取料都是允許運行的（OT10是機器人R2進入壓力機P1時所發出的信號）。

如圖17所示，此時機器人R2回到原點，并發送信號OT11給PLC，然后該信號經過PLC內部的一段轉換輸出Y150，并通過PLC輸入給壓力機P1。在壓力機P1接收到信號Y150時，則執行一次沖壓動作。至此，機器人R2完成上料、離開、沖壓的程序過程。

圖11 等待信號

圖12 R2上料滿足條件

圖13 R2上料

圖14 R2放料

圖15 R2放料完畢

圖16 R2離開沖壓區

圖17 P1沖壓

4.自動化沖壓線的維修及故障排除

自動化沖壓線由1臺PLC控制柜、4臺壓力機、6臺機器人、1臺工作臺、2臺堆垛臺、1臺整理臺所組成的生產線。因為面對的是由十多臺機器所組成的生產系統，所以直接通過傳統機械維修、排查故障的方法在自動化線上會顯得捉襟見肘。有時生產線突發故障，報警或是停機可能會讓維修人員糾結很久才找出問題所在，嚴重降低了維修效率，影響生產。因此，在遇到問題時，我們需要通過對PLC監控的方法，利用PLC程序使我們知道是哪一臺機器引發的故障，并細化到哪一部分，然后針對該機器進行相應的維修。其中，在PLC程序的網絡205和網絡290是報警、暫停的主干程序，在故障發生時，我們可以首先對這兩個網絡進行觀察然后找出問題所在。

下面以一個例子作為說明：假設自動化系統在運行過程中突然停止工作。如何通過對程序監控找出相應的問題，并把故障排除。圖18通過對PLC程序的監控，我們可以發現，在網絡290中的輸出M520（機械手暫停）有輸出。于是往前推理，發現只有中間繼電器M88（吸附錯誤）才是接通M520的那個軟原件。因此可知，機器人吸附錯誤是導致此次暫停事故的原因。

如圖19所示，于是我們針對M88進行查找，并找到網絡345，這是輸出M88（吸附錯誤）的程序。通過推理可以知道，M88是由時間繼電器T201通路所觸發的。由此可知，這次事故是由機器人R1吸附錯誤引發的。

如圖20所示，繼續對時間繼電器T201進行查找，我們可以追述到網絡3430，并發現X31C（機器人1吸附錯誤監視）是這次報警事故的源頭。針對X31C展開調查，知道這是機器人R1在吸料的過程中所發出的監視信號，是常通的。所以，中間繼電器M371在機器人R1吸料的過程中也應該是常通的，所以回到網絡3493，要想不讓M201觸發并輸出報警，只有使X309機器人R1的真空傳感器的常閉觸點開路，才能使整個線路斷開，PLC才不會輸出報警。

可得出3個推論：①機器人R1在吸料過程中沒有把料片吸住或在運送過程中料片掉落導致的停機。②機器人R1的真空傳感器損壞或是不靈敏導致的停機。③真空泵沒有吸力導致的停機事故。這樣，我們就可以通過這3個推論進行排查，解決此次停機事故，以上就是通過對PLC程序監控對自動化生產線故障做排查的方法。通過這種方法可以使維修工作變得更加安全、高效。

圖18 尋找故障

圖19 R1吸附錯誤

圖20 找出原因

5.結語

引進、消化、吸收引進設備原理，對日后操作、維護和改進都很有作用，要提高沖壓線效率，縮短沖壓時間，熟悉了原理就能夠進行調整、優化。