嬰兒床側扇組裝線控制系統的實現

李大偉

（遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧沈陽 110161）

1 嬰兒床側扇組裝線基本結構和組裝要求

某木工生產企業生產的一種嬰兒床產品，其結構主要由側扇、端扇、底扇3 個部分組成。下面以側扇工藝為例，說明如何實現其自動安裝。

嬰兒床側扇基本結構由木撐和木棒連接構成：一個側扇由兩個木撐和16 根木棒組裝而成，每個木撐上有16 個安裝孔，用于與木棒之間的連接。

生產線的工作過程：①人工將床架橫撐和底板圓棒放置在相應料倉內；②底板橫撐通過氣缸推動和定位傳送到打膠工位上進行打膠；③通過輸送線將打完膠的橫撐工件輸送到組裝工位；④通過檢測裝置將定位好的橫撐工件和圓棒通過液壓進行組裝；⑤組裝后的橫撐和圓棒通過輸送線輸送到打釘工位，完成打釘工序；⑥打釘組裝好的成品工件通過輸送線輸送到抓取工位，懸臂抓手可旋轉90°，懸臂一端有模組帶動抓手可上下移動，將組裝好的底板工件進行碼垛。

2 組裝線系統整體結構設計

對以上嬰兒床側扇組裝過程分析，可將其組裝過程分為上料打膠區、落料壓棒區、打釘區、卸料區、傳送區5 個單元，其中傳送區用于其他4 個分區的搬運任務[1-2]。每一件合格產品都需要經過4 個分區的工序來完成，各個分區之間相互獨立，但同時都與傳送區建立聯系，各個分區的工序時間不同，由傳送區統一協調，只有各個工序都完成了各自的生產任務，傳送區才執行傳送任務（圖1）。

圖1 側扇組裝線功能分區關系

3 嬰兒床側扇組裝線控制系統硬件設計

3.1 控制系統設計

控制系統主要由PLC、HMI（Human Machine Interface，人機界面）觸摸屏、輸入單元和輸出單元構成，其中輸入單元包括操作按鈕、氣缸傳感器、物料檢測傳感器、位置傳感器等；輸出單元包括信號指示燈、氣缸電磁閥、伺服傳送機構等器件。觸摸屏可實現控制系統的手動操作、信號監控、數據顯示、參數設置等功能，同時實時監控設備的運行狀態[3]。PLC 作為核心控制器，負責采集各路按鈕信號和傳感器信號，同時接收觸摸屏設定的參數和指令，進行數據處理和判斷，執行各個工藝流程，輸出控制信號，進而控制伺服機構和氣缸機構（圖2）。

圖2 控制系統硬件結構

文中傳送區的傳送帶采用伺服系統實現定位控制，卸料區的卸料機構也采用伺服系統控制，由伺服機構帶動機械手將成品物料放到指定位置。對于伺服系統的控制，一般采用脈沖輸出方式來實現，所以，PLC 應選用晶體管輸出方式。系統中的氣缸信號和傳感器信號為開關量信號，需要開關量輸入點數96 點，開關量輸出點數72 點，考慮15%的裕量。選擇歐姆龍CP1H PLC，型號為CH1P-X40DT-D，為晶體管輸出方式，其自帶24 路開關量輸入信號和16 路開關量輸出信號，再配備4 個CP1W-40EDT 擴展模塊，每個模塊包含24 路輸入信號和16 路輸出，可以滿足控制要求[4]。

3.2 氣動回路選型

本文采用的是三位四通電磁閥，中間位為保持型，這樣可實現運行過程中的換向，在停止狀態或斷電狀態保持氣缸原有狀態不變。

4 控制系統軟件設計

系統軟件設計包括PLC 程序設計和人機交互界面設計兩個部分：PLC 程序包括初始化控制程序、上料注膠工藝程序、落料壓棒工藝程序、打釘工藝程序、卸料工藝程序、傳送工藝程序、手動控制程序、輸入輸出程序等；觸摸屏人機界面程序包括監控界面、手動操作界面、參數設定界面、工藝流程界面等。

4.1 初始化程序設計

初始化程序如下：系統上電后，卸料伺服電機先復位，回原點，以原點為基準點，實現定位控制，完成取料和落料工藝過程（圖3）。伺服電機回位后，各個氣缸復位，卸料機械手臂伸出，準備取料。

4.2 主程序設計

嬰兒床側扇組裝過程由上料注膠、落料壓棒、打釘和卸料4 個工藝過程組成。由于4 個工序的工作過程不同，工作時間也不同，有長有短，而4 個工序之間的銜接由一條傳送帶機構完成，因此程序設計上，需要考慮到整體節拍，即只有每道工藝都完成了當前任務情況下，才可以執行傳送任務，時間上，工作過程少的工序要等待工作過程多的工序。其中，打釘工序工作過程最少，速度也最快；卸料工序雖然復雜，但只需要將物料移走就不影響傳送帶運行，也不影響其他工序工作，故而卸料工序時間也較短。

主程序工藝流程如圖4 所示：第一個工件上料注膠完成后，因為后序工位上沒有工件，不影響整體工藝，可直接觸發傳送機構運行；第二個工件在第一工位上進行上料注膠工藝過程中，同時第一個工件在第二工位上開始落料壓棒工藝過程，第三和第四工位上沒有物料，只需考慮前兩個工序，由于兩個工序的時間不同，因此前兩道工序全部完成時，才可觸發觸發傳送機構運行；加工第三個工件時，前三道工位上都有工件，因此只有這三道工序全部完成時，才可觸發傳送機構運行。

由于第四工位只是完成卸料過程，只要傳送帶處于靜止狀態就可以執行卸料工藝過程，因此卸料工藝過程與前三道工序過程相對獨立，可不考慮。傳送工藝過程與4 個組裝工藝相互聯系，只要傳送帶運行，4 個生產工序就必須停止。因此，只有當物料個數大于3 時才開始考慮各個工藝的總體節拍。

4.3 卸料工藝程序設計

第三工序（打釘工序）完成后，傳送帶將物料傳送到第四工位（卸料工位）。由PLC發出卸料信號，卸料機構上的手指缸打開，開到位后卸料伺服機構帶動手指缸下降到指定位置（在觸摸屏上預先設定好），準備取料；到位后手指缸關閉，將物料夾緊，然后卸料電機上升回位；到位后旋轉臂氣缸打開，將物料旋轉90°，即成品物料區的上方，卸料機構下降到卸料位置；到位后手指缸打開，卸料完成，卸料伺服機構再次回位；到位后旋轉臂關，準備再次取料，卸料工藝完成。

卸料位置隨著成品物料的增加而升高，是一個動態的位置，其位置高度如式（1）所示。

其中，Sp為當前工件放置位置高度，n 為當前工件個數，ht為工件厚度，h0為起始工件位置高度。

4.4 觸摸屏程序設計

觸摸屏人機界面主要用來控制PLC 實現手動操作、運行系統監控等功能，觸摸屏監控畫面如圖5 所示。

圖5 觸摸屏操作界面

（1）主畫面主要包含系統工作模式切換按鈕、功能畫面切換按鈕、工件計數、工作狀態指示等功能[5-6]。

（2）參數設置畫面主要包含傳送帶電機和卸料電機的速度設定、工件數量設定、運行位置設定、打釘時間設定等。

5 結束語

主要介紹了一種基于PLC 控制的嬰兒床側扇組裝生產線控制系統，該生產線已經在生產企業得到實際應用。實踐結果表明，該生產線生產的產品尺寸誤差率控制在1 mm 以內，產品合格率控制在約98%，生產線運行穩定，可實現連續生產任務。該生產線的引入，不僅為生產企業節約了人力和物力投入，還提高了企業生產效率和產品合格率，具有較好的實用價值。自動化設備的引入，將提高產品品質、節約生產成本，從長遠來看將會帶來更多的經濟效益。