基于PLC控制的在線自動翻轉機構的控制系統(tǒng)的設計

王信野，陳書宏，楊仁楓，鄭德超

（中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

基于PLC控制的在線自動翻轉機構的控制系統(tǒng)的設計

王信野，陳書宏，楊仁楓，鄭德超

（中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

介紹一種應用于重卡變速器裝配線上的在線自動翻轉機構的控制系統(tǒng)，主要基于西門子PLC控制，采用X、Y、Z及旋轉軸四個方向伺服控制系統(tǒng)進行驅動，采用液壓系統(tǒng)定位裝置對托盤進行定位。該在線自動翻轉機構成功的應用于國外變速器生產中，提高了生產線的自動化程度和生產效率，降低人工成本，提高產品競爭力。

翻轉機構；變速器；PLC控制；伺服系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)水平的快速發(fā)展，人們對于卡車性能要求也不斷提高。變速器是卡車零部件的重要組成部分，變速器生產廠家不斷對裝配生產水平提出更高的要求。生產廠家不斷的改進變速器的裝配工藝，裝配生產線從90年代的手工裝配漸漸的向半自動化裝配線，以及更先進的管控一體化的自動化裝配生產線過渡。

本文主要介紹某公司變速器裝配車間應用于輥道式的重卡變速器裝配生產線的在線自動翻轉機構，主要實現(xiàn)RFID射頻設備識別托盤上的變速器殼體型號自動切換程序，對托盤上的變速器殼體90°、180°姿態(tài)翻轉變換，無人工參與全自動化在線生產的功能。

1 翻轉機構的總體結構

1.1 機械結構

本翻轉機構應用于某重卡變速器裝配生產線自動化生產中，自動切換變速器殼體在輥道式物流生產線中的90°，180°姿態(tài)。本設備主要采用伺服控制器及伺服電機完成X軸方向、Y軸方向、Z軸方向、旋轉軸方向的四個方向的驅動控制；采用液壓系統(tǒng)完成托盤姿態(tài)旋轉及精確定位，夾緊箱體的功能。因為變速器箱體及內部齒輪裝配到此工位重量達到250kg，所以Z軸方向采用增加反方向配重的方式實現(xiàn)，這樣很大的程度上減小Z軸方向伺服電機的扭矩參數(shù)，從而降低設備成本。由于本條裝配生產線為了實現(xiàn)10個品種混合裝配，品種尺寸差別較大，因此在設計中采用在之前工位安裝多孔工裝板實現(xiàn)。

如圖1機械結構簡圖，液壓系統(tǒng)主要由舉升定位缸、托盤姿態(tài)旋轉缸、箱體夾緊缸及液壓站構成。伺服控制系統(tǒng)主要由X軸伺服控制系統(tǒng)、Y軸伺服控制系統(tǒng)、Z軸伺服控制系統(tǒng)、翻轉方向伺服控制系統(tǒng)構成。根據平面直角坐標系定義，垂直方向為Z軸伺服系統(tǒng)運動方向，運動范圍為900mm，水平方向為X軸伺服系統(tǒng)運動方向，運動范圍為400mm，垂直于紙面方向為Y軸伺服控制系統(tǒng)，運動范圍為600mm，旋轉方向伺服系統(tǒng)運動方向為垂直于水平方向旋轉，旋轉角度范圍為0～180°。伺服系統(tǒng)的編碼器和位移傳感器的精度可以到達0.2mm，并且機械結構有一定的浮動空間，滿足設計要求。

1.2 工藝流程

本翻轉機構主要配合輥道式物流裝配線實現(xiàn)變速器箱體在托盤上的姿態(tài)切換。本條裝配線應用了三臺在線自動翻轉機構，翻轉姿態(tài)如下：

1）變速器箱體上線之后完成裝配，安裝工裝板，到達第一臺翻轉機構，翻轉180°，自動放行；

2）變速器箱體自動放行之后，進行下一部分裝配，到達第二臺翻轉機構，翻轉180°，自動放行；

3）變速器箱體自動放行之后，進行下一部分裝配，到達第三臺翻轉機構，翻轉90°，自動放行。

如圖2翻轉機構工藝流程圖所示，托盤自動運行到舉升定位機構處，首先，通過RFID射頻設備識別托盤上變速器型號，自動切換程序，加載相應數(shù)據配方；然后，舉升定位機構通過舉升、旋轉90°、下降等過程將托盤旋轉90°并且進行定位；接著，翻轉機構通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)，將翻轉機構夾爪運動到箱體取箱位置；然后，夾緊缸夾緊，翻轉機構通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)運動到箱體翻轉位置，進行翻轉角度；接著，翻轉機構通過控制X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)，將翻轉機構夾爪運動到箱體放箱位置，箱體夾緊缸松開；再然后，X、Y、Z軸伺服控制系統(tǒng)回到初始位置，舉升定位機構回原位，將托盤放到輥道裝配線上；最后，變速器箱體姿態(tài)切換完成，托盤自動放行到下一個工位，翻轉機構恢復到初始位置，整個翻轉過程結束，等待下一個托盤。

圖1 機械結構簡圖

圖2 翻轉機構工藝流程圖

2 翻轉機構控制系統(tǒng)的硬件設計及控制策略

2.1 硬件構成

如圖3所示，翻轉機構控制系統(tǒng)網絡結構圖，翻轉機構控制系統(tǒng)主要采用西門子PLCS-1200進行邏輯控制；采用西門子HMI TP900人機交互界面；采用西門子V90伺服控制器及1FL6伺服電機進行翻轉機構四個自由度的精確控制，并在每個自由度增加巴魯夫位移傳感器；采用液壓系統(tǒng)對舉升缸、姿態(tài)旋轉缸，夾緊缸進行控制，在夾緊缸上增加壓力繼電器進行檢查，采用倍加福RFID IQT-F116射頻識別設備進行托盤上變速器箱體識別。

控制系統(tǒng)PLC與裝配線主站西門子PLC S-1500通過以太網通訊進行控制，與西門子HMI TP900人機交互界面通過以太網通訊實現(xiàn)，與倍加福RFID IQT-F116射頻識別設備采用RS-485串口通訊技術實現(xiàn)，其他的位移傳感器、開關按鈕、指示燈、接近開關等通過PLC的數(shù)值I/O和模擬量來實現(xiàn)。

2.2 閉環(huán)控制

在線自動翻轉機構核心部件是平面直角坐標系中對應于三個坐標軸方向和旋轉方向的四套伺服系統(tǒng)。本設備選用西門子SIMOTICS S-1FL6伺服電機配合SINAMICS V90伺服驅動系統(tǒng)，形成功能強大的伺服系統(tǒng)，電機支持3倍過載能力，選用13位分辨率的增量式編碼器，能夠充分滿足機械設計對動態(tài)性能，速度設定范圍，輸出軸與法蘭精度的高要求。

圖3 翻轉機構控制系統(tǒng)網絡結構圖

如圖4所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯圖，本設備控制系統(tǒng)采用編碼器速度檢查和位移傳感器位移檢測的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且通過編碼器位置量與位移傳感器的位移量差值判斷，以及伺服運行扭矩檢測，實時診斷伺服系統(tǒng)的運行狀態(tài)。伺服控制系統(tǒng)采用位置控制方式與編碼器位置反饋形成伺服驅動器內部閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣大大的提高設備運行精度。PLC控制系統(tǒng)通過位移傳感器對于機械部件實時位置的反饋形成伺服驅動器外部閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且采用PID調節(jié)提高伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用外部閉環(huán)控制系統(tǒng)最主要的目的是，當出現(xiàn)伺服電機與絲杠之間的聯(lián)軸器脫離或者是絲杠斷裂形成的機械部件與實際運行的目標位置不一致的時候，根據翻轉機構自動程序會繼續(xù)執(zhí)行下去，這樣實際位置與設定位置不符合，會造成極大的危險性。增加位移傳感器之后形成外部閉環(huán)系統(tǒng)，增加伺服運行條件很好的解決這個問題，并且通過PID調節(jié)提高設備的快速響應和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通過對伺服電機的運行扭矩的邏輯判斷，很好的解決絲杠運行時間過長外形扭曲或者突發(fā)情況形成大扭矩等情況，提高設備運行的安全可靠性。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯圖

液壓系統(tǒng)中，在箱體夾緊缸油路中增添壓力值可以設定的壓力繼電器，設定壓力值，達到設定值發(fā)訊，進行下一步動作；舉升定位缸和姿態(tài)旋轉缸通過磁性開關進行位置判斷，液壓站增添溫度傳感器進行液壓油的油溫判斷。

3 控制系統(tǒng)的軟件設計

自動翻轉機構軟件設計主要分為三個部分：PLC程序設計、伺服控制系統(tǒng)的組態(tài)及參數(shù)設定、HMI人機界面的設計。

3.1 PLC程序設計

如圖5所示，PLC自動程序流程圖，主要根據自動翻轉機構工藝流程編寫程序。

在啟動自動程序之前需要對每個品種的變速器的位置數(shù)據進行采集，手動運行伺服系統(tǒng)采集變速器在翻轉機構中的初始原位、取箱位置，旋轉箱體位置，放箱位置，每個位置由X、Y、Z旋轉軸四個位置參數(shù)構成，然后將所采集的數(shù)據，鍵入到HMI人機界面的配方中，以待自動程序加載數(shù)據。

圖5 PLC自動程序流程圖

運行自動程序，首先，設備上電啟動之后，進行設備初始化程序，主要是X、Y、Z軸及旋轉軸伺服電機回零點，運行到初始原位，液壓系統(tǒng)液壓缸回到原位；然后，檢測伺服系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是否有故障報警現(xiàn)象，從而翻轉機構到達準備就行狀態(tài)；接著，當托盤運行到此工位時，RFID設備識別變速器型號，自動切換程序，配方數(shù)據載入，根據工藝流程進行動作，如果在運行過程中出現(xiàn)伺服報警和液壓系統(tǒng)報警，翻轉機構整個系統(tǒng)立即停止，這時候需要人工干預進行故障排查。最后，完成工藝流程，托盤回到輥道上，自動放行。

3.2 伺服系統(tǒng)

本設備采用西門子V90系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)，在應用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT軟件設置伺服系統(tǒng)的內部參數(shù)，在博圖軟件中建立工藝軸對象進行相應的參數(shù)設定。

在在應用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT軟件主要設置：電子齒輪比、伺服電機運行模式、配置輸入/輸出、設定極限值等參數(shù)；如圖6所示，博圖軟件運動控制軸組態(tài)圖，在博圖軟件中建立工藝軸對象，脈沖發(fā)生器與伺服系統(tǒng)輸入端建立連接，采用硬件限位開關和軟件限位開關進行保護，采用主動回原點的方式，常規(guī)啟停斜坡急停斜坡，關聯(lián)驅動器I/O點等。

圖6 博圖軟件運動控制軸組態(tài)圖

3.3 HMI程序設計

HMI人機界面主要由：主界面、參數(shù)設定界面、信號監(jiān)控界面、手動操作界面、故障報警、配方界面，系統(tǒng)界面構成。

1）主界面：顯示自動程序運行流程，伺服當前位置，及目標位置參數(shù)等；

2）參數(shù)設定界面：設置伺服零點位置與位移傳感器零點位置的偏移值，夾緊缸的夾緊位置等；

3）手動操作界面：編輯液壓系統(tǒng)中液壓缸手動按鈕，伺服系統(tǒng)中回零點按鈕、相對位移設定及按鈕、絕對位移設定及按鈕、系統(tǒng)故障復位按鈕、軟硬限位開關狀態(tài)顯示及伺服運轉正反兩個方向按鈕，實時位置顯示；

4）配方界面：通過手動操作獲得變速器在翻轉機構中的初始原位、取箱位置，旋轉箱體位置，放箱位置寫進配方中，自動運行時加載數(shù)據。

4 結束語

論述了一種基于PLC控制的在線自動翻轉機構的控制系統(tǒng)的設計。本在線自動翻轉機構通過X、Y、Z及翻轉四個方向的伺服系統(tǒng)的控制，達到了變速器在裝配線上三種姿態(tài)的目的。 目前，三臺在線自動翻轉機構已成功應用于某卡車公司的國外裝配車間中。如圖7所示，卡車變速器的年產量達到6萬臺，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經濟效益。

圖7 現(xiàn)場應用圖片

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圖5 車體轉運平臺

圖5是通過上述原理設計的列車車體轉運平臺，單個列車車體轉運平臺額定載荷25t，聯(lián)動控制后可實現(xiàn)額定載荷50t。單個平臺及聯(lián)動狀態(tài)均可實現(xiàn)實現(xiàn)二維平面內任意方向的移動及升降功能。經過試驗驗證，設備運行平穩(wěn)，可橫越過高差約20mm軌道，能順利通過53mm寬的軌道輪緣槽。最大移動速度0.5m/s，非常適合在作業(yè)通道狹窄，路面多鐵軌的高速鐵路裝配環(huán)境使用。目前本設備已在中車集團多個動車組裝車間使用，使用效果良好。

3 結論

本文針對列車車體轉運過程的由于列車體積大、廠房空間狹窄造成的轉運效率低等問題，提出了一種高效的列車轉運設備。該設備采用麥克納姆輪實現(xiàn)全向移動功能，通過特殊的液壓懸掛方式提高輪組的著地性能并實現(xiàn)升降功能。采用高精度傳感器采集信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，實現(xiàn)兩臺設備聯(lián)動轉運列車車體。基于上述技術的列車車體轉運平臺已在中車集團多個動車裝配車間使用，實踐證明，基于上述技術的列車車體轉運平臺運動方式靈活，操作方便，可以很好的適應復雜的列車裝配環(huán)境，有效提高列車車體生產過程的轉運效率。

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Design of control system of online automatic turnover mechanism on PLC control

WANG Xin-ye, CHEN Shu-hong, YANG Ren-feng, ZHENG De-chao

TP23

B

1009-0134(2016)12-0015-04

2016-09-01

王信野（1986 -），男，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，研究方向為PLC控制及自動化技術。