重型汽車縱梁數控沖孔機控制系統技改研究與應用

李紹民，李金玲，張新強，于 飛

（中國重汽集團濟南卡車股份有限公司，山東 濟南 250031）

重型汽車縱梁數控沖孔機控制系統技改研究與應用

李紹民，李金玲，張新強，于 飛

（中國重汽集團濟南卡車股份有限公司，山東 濟南 250031）

本文分析了汽車縱梁數控三面沖孔生產線控制系統應用現狀及存在的問題，在此基礎上研究設計出一種新型控制系統，主要由Soenen模塊式軸控制可編程序邏輯控制器--MODAC III和基于西門子S7-300(S7-317-2DP)的條件控制器組成，完成樣機匹配試制并現場通過3S-CoDeSys和Siemens Step7參數調試。經過最終測試驗證，新型控制系統成功匹配應用到樣機，沖孔精度和速度大大提高。

縱梁沖孔生產線；控制系統；改進；MODAC III；西門子S7-300

如圖1所示，控制系統主要部分為MODACII，位于電氣柜中央。MODAC工作由啟動機器時裝載的軟件確定，當裝入程序后，MODAC即可啟動作業來控制沖孔生產線。MODAC的MASTER部分在OS9控制系統下工作，主要完成：與操作接口（包括控制臺上兩個顯示屏和鍵盤）通信、與外部以太網通信、與測量裝置通信、與SCPC通信和一個調整軸通信。MODAC與其他計算機連接之間高速連接，機床和SCPC通過以太網接口連接，UserPC的顯示器與9針RS232接口連接，ErrorPC與以太網連接。

圖1 原控制系統

1 當前控制系統存在的問題

控制系統中央控制器MODACII數據處理能力不足，程序內存不足，無法滿足孔數過多的縱梁生產以及車型多樣化的要求。當縱梁孔數超過450時，就已超出設備能力，且發生故障時，維修時間過長、費用高，機械系統的匹配精度也急需調整，加工好的縱梁孔錯位現象多發，銑孔后鉚接時鉚釘難以充滿，對車架強度及壽命造成嚴重影響。上述問題嚴重制約生產線的生產效率和產品質量，生產線控制系統的技術升級成為必然。

2 新型控制系統設計研究

圖2 新型控制系統

如圖2所示，新型控制系統能夠通過絕對編碼器對汽車縱梁翼面測量區進行精確定位，達到設備所要求的精確性，通過在沖孔后立即將每個壓機移開，保證最短的生產時間。通過有效的測量系統設計，安裝兩個相對置放的編碼器，其中一個能通過左邊或右邊基準來沖孔，只有相對的編碼器被選來計算校正值，從而保證縱梁寬度公差不會影響到孔相對于基準邊的位置。

2.1 主控制系統

主控制系統采用純硬件可編程序邏輯控制器，此控制器名為MODAC III（模塊式軸控制-第三代），為Soenen公司結合元件的穩定性能，采用最新技術設計的第三代產品。它能實現以下控制功能：伺服控制的軸，用于夾緊送料器、用于腹面沖孔裝置的橫向位移、用于翼面沖孔裝置的高度設置，以及控制沖孔裝置動作。Modac III具有模塊化設置，由4個不同部分組成：主卡、I/O板、軸控制板、底板。

2.2 條件控制器

條件控制器是基于西門子S7-300 (S7-317 2DP)，并且負責設備的所有條件和手動操作。設備自身的I/O主要為分配型I/O，它通過Profibus與CPU相連。此控制系統設計有兩個Profibus網絡，第一個網絡用于快速的I/O，用于沖孔、測量選擇和與CNC控制器的通訊，第二個網絡用于一些對時間要求不高的控制。

2.3 數據處理單元

數據處理單元基于工業PC，集成有備份功能和15英寸彩色TFT顯示屏，主要應用于人機界面(HMI)、CNC文件生成、數據處理。

3 樣機改造與新型控制系統的現場應用

3.1 樣機機械系統與液壓系統改造

樣機新型控制系統對機械匹配精度和液壓系統提出更高的要求，而機械系統的精度調整和液壓系統的技術升級也必須為新型控制系統與樣機的匹配夯實基礎。樣機機械定位輥和導向輥重新更換且對機械零坐標重新做調直校準，四壓機全部重新更換滾珠絲杠、導柱導套及氮氣彈簧，送料夾鉗也已重新更換更高精度的絕對直線編碼器和滾珠絲杠，槽梁位置測量裝置重新校準，以此來提高機械系統匹配精度。液壓系統由排量73L/min的液壓泵更換為排量95L/min的液壓泵，以匹配新型控制系統實現更加復雜的復合動作。

3.2 新型控制系統的現場應用

沖孔生產線控制系統進行硬件升級，完成后并且在CoDeSys和STEP7軟件中進行參數調試和設置（見圖3、4、5）。中央控制器由MODAC II升級到MODAC III，PLC主模塊由西門子S7-300 (S7-315F-2DP)更新為西門子S7-300(S7-317 F-2DP)，并增加RS 422/RS 485串行通信接口，原軸控制卡組件更換為新式哈雷卡，在西門子PLC與MODAC III之間增加安裝Profibus DP轉接器，硬件升級完成后，在3S-CoDeSys和siemens Step7軟件中完成最終參數調試和設置。如圖6所示為調試人員調試場景。

圖3 CoDeSys軟件調試窗口

圖4 STEP7軟件調試窗口

3.3 新型控制系統現場試驗測試

沖孔生產線控制系統完成虛擬調試后，進行現場試驗測試，試沖一根縱梁進行全尺寸精度檢驗，然后進行設備能力測試分析，并與前期測試數據對比分析，發現沖孔生產線控制系統升級后設備過程能力指數（CMK）改善顯著，沖孔速度也大大提高。

圖5 HMI工作界面窗口

圖6 現場調試

表1 沖孔生產線升級前統計數據表

表2 沖孔生產線升級后統計數據

在沖孔生產線穩定狀態下，連續測50組覬10.5孔距尺寸，并與前期測試數據對比分析，沖孔生產線升級前設備能力指數CMK=1.36，升級后設備能力指數CMK=2.45。試驗數據如表1、表2所示。

在沖孔生產線穩定狀態下，從縱梁上線到下線連續跟蹤統計10根汽車縱梁，4根孔數為329、型材尺寸6750×300×90×8的汽車左縱梁，6根孔數為316、型材尺寸6750×300×90×8的汽車右縱梁，共用時間4260s，經計算得出沖孔生產線單孔沖孔時間t= 1.32s，較之前的單孔沖孔時間t=1.54s有所提高。

4 結論

由于新型控制系統的現場匹配應用，汽車縱梁數控三面沖孔生產線操作界面更加簡潔、方便，故障診斷更加快速、準確，沖孔精度和速度也大大提高，提升了車架總成生產線的整體生產效率，也為車架總成的整體裝配質量夯實基礎。

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Heavy truck frame longitudinal beam CNC punching machine control systemtechnical improvement and application

LI Shaomin,LI Jinling,ZHANG Xinqiang,YU Fei
（CNHTC Jinan Truck Co.,Ltd.，Jinan 250031,Shandong China）

This article analyses theapplication and existing problems ofHeavy truck frame longitudinal beam CNC punching machine control system，we designed a new type of control systemOn the basis of this research，The control systemmainly controlled by Soenen module type shaft-MODAC III and programmable logic controller based on Siemens S7-300 (S7-317-2DP)condition of controller，We have completed prototype trial match by 3 s-CoDeSys and Siemens Step7 parameter debugging.After the final test verification，The new control system successfully matching is applied to the prototype，the punching precision and speed is greatly increased.

CNC punching production line on three sides、new control system、MODAC III、Siemens S7-300 (S7-317-2 DP)

TG386.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.018

1672-0121（2016）02-0067-03

2015-09-09；

2015-10-27

李紹民（1966-），男，高級工程師，從事機械工程設計研究。E-mail：lishaomin@sinotruk.com