基于PLC的光纖件帶帽自動線控制系統設計

代璐蔚，石 軍，洪 標，宋 霞，徐艷如，孫開成

(重慶理工大學 a.材料科學與工程學院; b.機械工程學院， 重慶 400054)

隨著計算機技術的飛速發展，以變頻器調速、計算機通信和可編程序控制器為主體的新型電氣控制系統在工業控制、自動生產線等領域已經逐漸取代了傳統的繼電器硬件控制系統。

常規的人工手動帶帽效率低，產品合格率和一致性不高，并且勞動成本高。如果采用光纖件帶帽自動線系統，一方面可以解決產能波動的問題，另一方面可以減少對工人的依賴，保證產品的一致性，可極大地提升經濟效益。以PLC為基礎組成的光纖件帶帽自動線制動化程度高，控制系統簡潔，可極大地提高生產效率。

本文主要研究基于PLC的光纖件帶帽自動線控制方案及程序的設計，包含光纖底座取料單元、光纖底座送料單元、光纖帽取送料單元、焊接件取料單元4個獨立的控制單元。

1 系統總體方案設計

1.1 自動線平臺的組成

設計的自動線包含4個單元：光纖底座取料單元、光纖底座送料單元、光纖帽取送料單元、焊接件取料單元。由于光纖底座在盛具中的特殊位置且在自動取料和送料過程中需要完成翻轉等復雜動作，因此將光纖底座的取、送料分作獨立的2個單元，每一個單元都是一個獨立的機電一體化系統。通過PLC自動控制各部分順序動作實現光纖件的整個帶帽過程。各單元中采用了機械手裝置，機械手的夾緊和放松采用氣動執行機構，送料采用步進電機驅動滾珠絲桿通過導軌和滑臺完成。焊接件取料單元采用真空吸盤為執行機構，驅動仍以步進電機為主[1]。采用步進電機驅動能實現多定位點、長行程控制。氣動執行機構響應快，使整個自動線能快速、精確地運行。

在檢測方面，自動線平臺采用了多種傳感器，主要用于檢測各個工位的零件是否到位、機械手是否夾緊。只有檢測到零件的顏色、材質等信息才會發出信號給PLC，從而使PLC順序執行程序。

1.2 各單元的功能

各個單元的自動生產線平臺的工作基本功能如下：

1) 光纖帽取、送料單元：該單元將放在特定物料盛具中的光纖帽原件抓出，然后運送到焊接工位上方，準確定位后，送入焊接工位夾具中。

2) 光纖底座取料單元：該單元是將放在特定物料盛具中的光纖底座原件抓出，然后運送到光纖底座送料夾具上方，準確定位后，送入光纖底座送料夾具中。

3) 光纖底座送料單元：該單元是接收來自光纖底座取料單元的原件，夾緊后將工件翻轉，同時將光纖底座原件送到焊接工位上方，準確定位后將光纖底座送入焊接工位夾具中的光纖帽上完成焊接和裝配。

4) 焊接件取料單元：將焊接完成的焊接件從焊接工位上抓取出來，按順序擺放在特定的物料盛具中。

2 各單元系統方案設計

光纖底座、光纖帽和焊接件均盛放在規格相同的方形物料盛具中，物料盤每個孔的中心距為10 mm，總共10行10列100個零件。為了便于循環程序的設計，取料和放料均需要按一定的順序。由于光纖底座取料單元、光纖帽取送料單元和焊接件取料單元所使用的物料盛具規格相同，僅有孔的深度和是否有臺階的微小區別，所以這3個控制單元完成取料或者送料采用同一個動作循環過程。

機械手先從第1行抓取第1個零件，送料完成之后X軸方向并不直接回到原點，而是回到原點沿X軸正方向偏移10 mm(即第1行的第2個零件)的正上方。依次執行，直到第1行的零件抓取完之后，X軸回到原點位置，同時Y軸向Y軸正方向移動10 mm(即第2行第1個零件的位置)。物料原點距光纖底座的中心距設定為200 mm。取料動作循環情況如圖1所示。

圖1 取料動作循環

2.1 光纖底座取料單元設計

如圖2所示，光纖底座是微型原件，質量輕、體積小，是一種盤型帶針腳的光電元器件，在料盤中頂面朝上盛放。光纖底座在送往焊機與光纖帽裝配的過程中需要完成翻轉使其能與光纖帽配合。光纖底座取料單元需完成X、Y方向的零件掃描動作以及Z方向的上下取料和送料至送料夾具的動作，所以需要3個軸的運動。其中X、Y軸采用步進電機，Z軸采用氣壓缸。另外，機械手的夾緊和放松由1個小型氣壓缸控制，傳感器檢測物料盤中剩余的物料，采用1個微型反射式光電傳感器，安裝在物料盤最后1行的第1個零件側面。當這個零件被機械手抓取后，傳感器常閉變為常開，下降沿啟動黃燈亮，警示工作人員物料即將送完。在光纖底座送料單元的夾具中安裝有1個微動開關，假如光纖底座取料機械手在取料或者送料到光纖底座送料單元夾具的過程中光纖底座掉落，則無法使微動開關得電，不會啟動光纖底座送料單元的運行。此時需要工作人員將程序停止，手動調零后重新上電啟動自動線[2-3]。

2.2 光纖底座送料單元設計

光纖底座的送料過程要完成夾緊、翻轉、定位、送料到位4個動作。

在送料夾具內部安裝有1個微動開關，用于檢測光纖底座原件是否已送到位，一旦到位，傳感器發送信號到PLC，啟動程序夾緊零件并順序執行。光纖底座送料機械手的夾緊和松開動作仍然選用氣壓缸，X、Y平面的定位由一個繞Z軸的旋轉動作完成，即平行于Y軸安裝，順時針旋轉,90°后到達焊接工位的正上方，由步進電機控制。送料到位由Z軸的上下移動完成，翻轉動作也由步進電機直接控制。焊接工位安裝有檢測光纖帽的光電傳感器，只有當光纖帽到位時Z軸才會旋轉90°送料到焊接工位，否則夾緊翻轉180°后等待。因此，光纖底座送料單元由2個氣壓缸和2個步進電機控制4個自由度的運動和2個傳感器的檢測[4]。為了匹配步進電機的速度和方向，系統結構搭建時可能用到減速器。

2.3 光纖帽取送料單元設計

光纖帽也是微型光電元器件，見圖3。在光纖帽的底部膠粘了一塊透鏡，易碎，觸碰會影響聚焦精度。光纖帽的開口端有外翻邊，是與光纖底座臺階圓面配合的面。

圖3 光纖帽示意圖

由于沒有反轉動作，光纖帽的取料和送料集成在同一個單元，其運動軌跡和光纖底座取料過程基本一致，由步進電機控制X、Y兩軸的直線運動來完成光纖帽的順序抓取和送料，不同的是光纖底座送料單元是將光纖底座送到光纖底座送料夾具的正上方，而光纖帽取送料單元是將光纖帽直接送到焊接工位。光纖底座取料單元與光纖帽取送料單元的節拍基本一致，因此這2個獨立的控制單元通過1個雙聯開關同時啟動。此單元中機械手的夾緊和放松仍由氣壓缸作為驅動裝置，Z軸的上下運動也由氣壓缸控制。同樣，在送料過程中，焊接工位用一個光電傳感器檢測是否有工件(檢測光纖帽)，在沒有工件的情況下光纖帽取料機械手才抓取下一個零件到焊接工位。

2.4 焊接件取料單元設計

光纖帽和光纖底座在焊接工位上焊接完成后稱為焊接件，見圖4。

焊接件取料單元的功能是將焊接工位中成品焊接件抓取出來并按一定的順序擺放整齊，相當于光纖帽取送料的逆過程，不同的是光纖帽取送料單元的啟動和光纖底座送料單元由傳感器開關信號輸入控制，在沒得到信號時，取料裝置在安全區域待命。當光纖底座和光纖帽送料到位時，光電傳感器檢測到信號后啟動焊機氣壓缸向下運動，焊接完成后用氣壓缸回程觸碰到行程開關的下降沿啟動后面的順序動作[5]。另一方面，考慮到焊接件的質量和形狀以及需要避免接觸磁源等特性，取料裝置采用真空吸盤，由一個電磁閥控制氣體的發生和關閉。

圖4 焊接件3維示意圖

2.5 自動線系統工作原理

如圖5所示，光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元由一個雙聯開關控制同時啟動。光纖帽完成抓取、送料、送料到焊接工位等幾個動作。與此同時，光纖底座取料單元完成了抓取、送料、送料到光纖底座送料夾具。光纖底座送料夾具單元的微動開關和焊接工位的光纖帽檢測傳感器均有信號給出，啟動光纖底座送料單元完成夾緊、翻轉180°、旋轉90°、送料到焊接工位的光纖帽上幾個動作。與此同時，光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元處于返回原點抓取下一個零件的過程中。光纖底座送料到位后，傳感器檢測到位信號，延時啟動焊接件取料單元使焊機氣缸得電，啟動焊接工件。焊接完成后氣缸回程到位時行程開關下降沿，使焊接件取料單元PLC繼續執行取料、送料、送料至物料盤的動作[6-7]。4個單元分別由1臺PLC控制，PLC之間的信息傳遞靠硬接線完成。

2.6 單元設計選型

主要選型如下：

1) 可編程邏輯控制器：艾默生EC10-1614BRA。

2) 線性模組：KM26標準型。

3) 步進電機：103H5210-0480型兩相四線步進電機。

4) 步進電機驅動器：US1D200P10，驅動電壓為DC24 V。

5) 微型手指氣抓：MCHB-16型手指氣缸。

6) 雙導桿氣壓缸：MCGA-03-20-30- BSP，有效行程為30 mm。

7) 電磁閥： ZBS-15-K-1440-16-P4- G1/4-W1-NBR。

8) 24 V DC電源選型：LM30-00J0512- 03E金屬罩式開關電源。

9) 壓力傳感器：HM91-H1-1-V2-F1- W1，DC24 V供電，綜合精度為±0.4%FS。

圖5 系統控制過程

3 PLC程序設計

3.1 光纖底座取料單元

1) 流程

光纖底座取料單元的控制流程如圖6所示。

2) 輸入/輸出原件及控制功能

如表1所示，介紹了單元設計中用到的輸入/輸出原件及控制功能。

3) 接線圖

在系統設計中，每個單元都含有步進電機的控制和氣壓缸的控制。由于零件的質量很小，氣壓缸的選型都是微型或者小型的單作用氣缸。

設計中均采用圖7所示的二位三通電磁閥控制的換向回路。在梯形圖的編制過程中通過電磁閥的得電和失電來控制氣壓缸的伸縮[8]。

圖6 光纖底座取料單元流程

表1 輸入/輸出元件及控制功能

續表(表1)

圖7 光纖底座取料單元接線圖

步進電機的控制則相對復雜一些。在艾默生EC10-1614BRA晶體管輸出型模塊中包含2個高速脈沖輸出端口Y0和Y1，可以實現X、Y兩個軸步進電機的開環運動控制。在梯形圖編程中運用特殊寄存器SM80(Y0使能脈沖)、SM81(Y1使能脈沖)、SM262(Y0脈沖輸出監控)、SM272(Y1脈沖輸出監控)設置中間繼電器，從而控制步進電機脈沖的輸出和下一個動作的執行[8～10]。步進電機各工步輸出脈沖和移動距離的計算如下：

1) 步進電機轉一圈所需脈沖數計算為

式中:P0為步進電機轉動一圈所需的脈沖數；θ為步進電機的步距角。選型電機步距角為θ=1.8°，則

2) 步進電機脈沖當量計算為

式中：σ為步進電機脈沖當量；P為滾珠絲桿螺距，為5 mm；P0為步進電機轉動一圈所需的脈沖數為200。

3) 細分脈沖當量(精度)的計算為

式中：σx為細分脈沖當量；σ為步進電機脈沖當量，為0.04 mm；x為步進電機驅動器細分數，取為2。則

在光纖底座取料單元中，因為光纖底座取料機械手零點(物料盤第1個零件所在孔的軸心)與光纖底座送料夾具之間的距離為200 mm，所以X軸步進電機將第1個光纖底座送料到光纖底座取料夾具正上方時所發出的脈沖為16 000個，但是由于光纖底座送料夾具的位置固定，因此步進電機向X軸正向運動用微動開關控制而不是脈沖個數控制。

3.2 光纖底座送料單元控制原理

光纖底座送料單元也是對步進電機和氣壓缸的動作控制。由于沒有循環取料的動作，所以與光纖底座取料單元的控制過程相比更加簡單[11-12]，只需要按各執行機構順序逐步動作即可實現運動控制。光纖底座送料單元的啟動不是靠外接按鈕，而是按以下循環工作：光纖底座取料單元送來的光纖底座原件觸發微動開關得電—夾緊氣缸動作夾緊工件—工件翻轉180°—當光電傳感器檢測到焊接工位沒有零件—工件旋轉90°到達焊接工位正上方—送料到位—退回原點等待下一次微動開關觸發。步進電機的控制輸出脈沖最多為電機旋轉180°，需要400個脈沖，遠小于光纖底座取料單元用時。

3.3 光纖帽取送料單元設計控制流程設計

光纖帽取送料單元的控制相對復雜，當光電傳感器檢測到光纖底座送料到位時，延時啟動焊接工位氣缸動作進行焊接，焊機氣缸由PLC控制。

光纖帽取送料單元中，光纖帽在物料盤中的盛放狀態一樣，也需要X、Y兩個方向對零件抓取進行掃描，并且由于節拍一致，光纖帽取送料單元不用加物料不足檢測傳感器[13]。其控制過程與光纖底座取料單元基本一致，只是由于安裝位置不同使步進電機編程時輸出的脈沖數不同而已。另外，光纖帽取、送料單元的啟動與光纖底座取料單元共用1個雙聯開關SB1,需要同時啟動。第1個零件送料完之后回到第2個零件正上方，此時，為了避免焊接好的零件還未取出焊接工位就送料而發生干涉，因此用焊接工位的光電傳感器的下降沿來啟動第2個及以后的零件送料[14]。

3.4 焊接件取料單元控制原理

與光纖底座取料單元和光纖帽取送料單元一樣，焊接件取料單元編程的難點也在于物料盤推送的循環[15-16]。焊接件取料單元與前兩者的循環過程剛好相反，因此可以借鑒其程序進行改進。以光纖底座取料單元為例，它的計數是在取出第1個零件之后，必須在X軸第1次返程之前進行計數并依次與常數1～10進行比較，從而確定回程時X、Y軸應發出的脈沖數。焊接件取料單元與以上過程恰恰相反，當第1個焊接件取料完成送到物料盤行、列的首位置并且機械手離開物料盤后，計數器開始計數，然后比較選擇X、Y軸應發出的脈沖數。由此程序編制難點問題得以解決。

光電傳感器檢測到光纖底座送料到位，行程開關SQ5得電，延時0.5 s后焊機氣缸向下運動，當接近開關SQ4得電則焊機氣缸運動到位，延時0.5 s(焊機焊接時間)后，焊機氣缸向上運動，當接近開關SQ3得電時，焊機氣缸回程到位，啟動取料機械手沿X軸移動到焊接工位正上方，隨后將焊接件取料并放到物料盤行、列的首位置，啟動計數器計數，實現循環動作。

4 結束語

該PLC控制系統用于生產光纖元器件，一方面可以克服人工手動焊接質量不穩定、產品合格率差的缺點；另一方面可以改善生產環境，提高帶帽效率，并且軟件編程算法簡單，操作方便。

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