基于西門子PLC控制的缸蓋自動吹屑機設計*

陳曲燕，周德強，奚 青，何馮光，鄧干然，凡云雷

(1.無錫弘宜智能科技有限公司，江蘇 無錫 214000； 2.江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122；3.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122； 4.中國熱帶農業科學院農業機械研究所， 廣東 湛江 524091)

0 引 言

氣缸蓋是結構復雜的箱形零件，設計有進、排氣門座孔，氣門導管孔，火花塞安裝孔或噴油器安裝孔。在氣缸蓋內還鑄有水套、進排氣道和燃燒室或燃燒室的一部分。若凸輪軸安裝在氣缸蓋上，則氣缸蓋上還加工有凸輪軸承孔或凸輪軸承座及其潤滑油道。在機加工車間，氣缸蓋從毛胚上線至成品下線過程中，需經過一系列加工工序，會在缸蓋加工面、加工孔及內腔留下不少鋁屑及其他雜質，因此氣缸蓋吹屑是下線前不可缺少的一道工序。

目前缸蓋吹屑工序主要采用人工手持風槍吹屑的方式，該種方式存在噪聲高、安全性差、效率不佳、人員勞動負荷重等問題。針對氣缸蓋人工吹屑的問題，柳州五菱柳機動力有限公司趙承旺等基于三菱PLC設計了缸蓋自動吹屑機[1]，分析了工作原理和控制系統，實踐應用證明其可行性及可靠性完全滿足生產工藝要求。但由于各個品牌發動機缸蓋結構不一樣，吹屑機對缸蓋定位要求不一樣，同時趙承旺設計的缸蓋自動吹屑機是需要人工搬運。目前PLC在自動化和智能化控制系統的應用較廣泛，技術比較成熟[2-6]，是自動化和智能化技術開發的主要組成之一，因此，針對上海某有色零部件有限公司生產的缸蓋結構，根據缸蓋吹屑工藝要求，結合機械手自動搬運功能，基于PLC開發設計一種缸蓋自動吹屑機(以下簡稱吹屑機)，實現缸蓋吹屑自動化作業，解決人工吹屑問題，提高生產效率，對提高公司自動化和智能化發展具有重要意義。

1 主要結構與工作原理

1.1 主要結構

吹屑機主要由機械結構部分和控制系統兩部分組成，結構如圖1所示。機械結構部分主要由支架、地腳、移動門、報警燈、氣缸、碎屑收集箱、缸蓋安放座、電控箱、吹氣嘴等組成?？刂葡到y由PLC、觸摸屏、繼電器、電磁閥、光電開關、磁性開關組成。

圖1 吹屑機結構示意圖

1.2 工作原理

吹屑機設計為一個相對封閉空間，內部設有上、下兩組吹屑氣嘴，上方布置2個可移動吹氣嘴，下方橫向布置4個吹氣嘴，對缸蓋上下兩面進行吹屑。為了保證吹氣氣量足夠且吹屑足夠干凈，在自動吹氣過程中，先是下方4個吹氣嘴逐個輪流吹屑，然后上方2個吹氣嘴同時移動一個行程吹屑。吹屑機工作時，在缸蓋安放座上的光電開關檢測安放座上是否有缸蓋，如果有缸蓋，則直接進行吹屑作業，吹屑完成后移動門自動打開，控制系統通知機械手搬運缸蓋并及時送料，完成一個吹屑工序；若安放座上沒有缸蓋，則通過控制系統打開移動門，并通知缸蓋搬運機械手給吹屑機送料，送料完成后移動門關閉，進行吹屑作業，吹屑完成后移動門自動打開，控制系統通知機械手搬運缸蓋并及時送料，完成一個吹屑工序。

2 吹屑機結構設計

2.1 缸蓋結構工藝

上海某有色零部件有限公司生產的缸蓋結構如圖2所示，缸蓋的結構及吹屑工藝要求是吹屑機的重要設計依據。根據缸蓋加工要求，缸蓋的加工面主要是上下2個面，碎屑主要分布在缸蓋孔內和凹槽內，因此，對吹屑機的要求為將孔內和凹槽的碎屑均吹出。根據以上吹屑工藝要求及缸蓋結構，需設計缸蓋的安放座和吹氣嘴的布置，以達到最佳吹屑效果。

圖2 缸蓋結構

2.2 缸蓋安放座設計

根據缸蓋的吹屑工藝要求，缸蓋在安放座上應該平放，使豎直的孔與吹氣嘴的吹氣方向保持一致。因此，設計安放座由4根頂桿支撐缸蓋，如圖3所示，使缸蓋底部與安放座的最大距離為130 mm，最小距離為39 mm，使碎屑有足夠的空間脫離缸蓋，掉落至收集箱。缸蓋在安放座上的安放狀態如圖4所示。

圖3 缸蓋安放座 圖4 缸蓋的安放狀態

2.3 總體結構設計

為了保證吹屑機作業的安全性，吹屑機采用箱柜式結構，如圖5所示，將缸蓋安放座設計在箱柜內部，箱柜6面采用不銹鋼鋼板封閉，防止吹屑機作業時碎屑飛濺。箱柜設計有自動控制移動門，由控制系統控制移動門的關閉與打開，實現移動門的智能化開閉。箱柜安裝有萬向移動輪和固定地腳，方便吹屑機的搬運移動和固定。

圖5 吹屑機總體結構

3 控制流程

吹屑機控制流程主要由送料、吹屑、出料等工序組成，如圖6所示。具體流程步驟如下：①移動門自動打開，機械手給吹屑機送料，將缸蓋安放在吹屑臺上；②機械手收回，移動門關閉；③電磁閥打開，按順序完成吹屑工序；④吹屑工作完成，移動門打開，機械手自動取料，重新送料，進入下一循環。

控制系統是吹屑機的關鍵部位，該系統有手動和自動2種模式，主要由PLC、觸摸屏、氣缸、傳感器及電磁閥組成。PLC是控制系統的核心部件，根據外部輸入信息進行信息處理，并為動作機構發送信息，完成吹屑機相應的輸出動作。為了方便吹屑機與機械手通訊及考慮經濟性，PLC采用西門子200smart CPU為核心處理器。傳感器主要是用來判斷缸蓋安放座是否有料，移動門氣缸、上吹氣嘴移動氣缸動作是否到位，并把相應信號輸入給PLC。吹屑機的傳感器由磁性開關和光電開關組成，磁性開關主要是應用在氣缸上，光電開關用于缸蓋安放座上。觸摸屏用于顯示控制系統信息和調整氣嘴吹屑時長。電磁閥主要用于控制吹氣嘴的吹氣控制，選用三位五通電磁閥。

圖6 控制流程圖

4 控制系統設計

4.1 硬件電路設計

根據吹屑機控制要求，繪制控制系統電路原理圖如圖7所示。

圖7 控制系統電路原理圖

控制系統電路由斷路器、開關電源、指示燈、插座、風扇、西門子200SMART PLC、光電開關、磁性開關、電磁閥、繼電器等組成。西門子200SMART PLC的CPU型號為CPU SR60 AC/DC/繼電器，數字輸入點數為36個，數字輸出點數為24個。根據計算所需的I/O點數，輸入點需要11個，輸出點需要17個，因此選用的PLC的輸入和輸出點數完全滿足設計所需要求。繼電器作用主要是與機械手聯絡通訊，通知機械手送料與取料，同時方便控制系統的維護與檢修。

4.2 PLC I/O口分配

吹屑機控制系統輸入信號有手動、自動、啟動，急停、氣缸位置信號、光電開關、送料完成、取料完成共11個輸入點；輸出控制有吹屑5個電磁閥、報警器、移動門氣缸、上吹氣嘴移動氣缸、機械手送料和取料等共17個輸出點。PLC具體的IO口分配見表1。

表1 PLC的I/O口分配表

4.3 PLC程序編輯

程序編寫采用梯形圖設計，梯形圖語言是PLC程序設計中最為常用的編程語言，與電氣硬件原理圖及I/O口分配表相對應，具有直觀性和對應性。控制系統的部分PLC程序如圖8所示。

4.4 觸摸屏設計

為了使公司工人方便調整各個吹氣嘴的吹氣間隔時間，控制系統設計了觸摸屏，可在觸摸屏上修改各個吹氣嘴的吹氣時間以及在手動吹氣模式下進行各個吹氣嘴吹氣。根據PLC品牌和型號，選用西門子的SMART 700IE V3型號的觸摸屏，實現人機交互功能。觸摸屏界面設計如圖9所示。

圖8 部分程序段

圖9 觸摸屏功能界面

5 結 語

開發了一種缸蓋自動吹屑機，設計了吹屑機的關鍵部件及總體結構，選用西門子200SMART PLC開發吹屑機的自動控制系統，進行了控制系統硬件電路的元器件設計及電路原理設計，編寫了控制系統軟件程序和觸摸屏程序，設計了觸摸屏人機交互功能界面，實現了吹屑機自動控制、信息監控和參數調控功能，經過吹屑機的試驗驗證，該機能與搬運機械手通訊，實現全自動吹屑功能，滿足吹屑工藝要求，吹屑效果好，可靠性高。