基于PLC的高速碰焊機的設計與實現

凌雷鳴

(鎮江領智機器人科技有限公司， 江蘇 鎮江 212001)

0 引 言

自工業革命以來，物料存儲就一直是人們生產生活中不可缺少的重要組成部分，尤其是大航海時代興起后，桶裝存儲在遠洋貨運中承擔著極為重要的角色[1]。隨著科技的進步與發展，在絕大多數行業傳統的木桶封裝已無法完全適應不同的存儲介質，于是金屬桶件就被用來填補市場存儲空缺，尤其是在存儲樹脂、油漆、硫酸等領域。而金屬桶口件作為金屬桶件不可或缺的重要組成部分，其生產加工也顯得尤為重要。桶口件的生產與制造本就屬于傳統生產制造，其不可避免的存在設備老舊、工藝低端、效率低下等問題。為解決這一問題，設計了基于PLC的高速碰焊機，其工作效率能夠達到90只/min，產能遠超市場平均水平。

1 高速碰焊機的工作原理

一般來說當前傳統的桶口件焊接設備均為直線式焊接設備，裝料、檢測、焊接以及出料均在一個執行工位上完成，導致的結果就是焊接效率低下，而想要提高產能就不得不增加設備數量，導致的結果就是設備以及運維成本的增加。本文介紹的高速碰焊機系統就能很好的解決當下傳統桶口件碰焊機生產效率低下的問題，其執行原理如下：

將原本在同一個工位上執行的裝料、檢測、焊機以及出料功能拆分，通過轉盤機構，將這幾個工藝進行銜接。轉盤機構采用伺服系統配合RV減速機，能夠在提高運行速度的前提下增加定位精度；爪扣上料機構采用伺服直線模組配合夾爪氣缸，提高上料速度；螺紋蓋上料機構則采用了PP模組與夾爪氣缸的組合形式簡化了上料機構，同時提高了上料效率[2]。由于焊接工藝存在先后順序，而在轉盤機構中，為確保機構無干涉，無法在每一個工位點設置檢測傳感器，此時可以通過設置PLC內部程序標志位的形式，將產品狀態依次遷移。如當爪扣上料完成以后將工位標志寄存器置1，轉盤旋轉一個工位就將此標志寄存器前移，當此置具移動到螺紋蓋上料工位時，檢測到標志寄存器狀態為1，則進行螺紋蓋上料動作，同時將此標志寄存器置2，當運行到焊接工位時，置具標志寄存器為2則焊接機動作。上料機焊接機構前序動作均是獨立的，機構將獨立運行至放料前序動作，通過程序內部判斷此時對應的置具狀態寄存器從而決定是否執行后序動作。這樣就能有效提高設備運行效率，從而提高設備產能。

2 高速碰焊機的硬件設計

本例中，涉及到的轉盤機構、爪扣上料機構、螺紋蓋上料機構均采用伺服控制，綜合考慮工藝需求、設備成本等方面后選擇西門子SMART200型PLC[3]，此PLC擁有三路脈沖口，能夠對接三套脈沖型伺服。而焊接單元只需要通過IO信號口對接焊接信號及完成狀態即可。高速碰焊機的硬件電路拓撲如圖1所示。

圖1 高速碰焊機硬件電路拓撲

由上圖可知，高速碰焊機是由轉盤機構單元、爪扣上料單元、螺紋蓋緩存單元以及焊接單元組成，其中轉盤機構單元起到了各機構之間銜接的作用。

3 高速碰焊機的軟件設計

高速碰焊機的軟件分為主控程序、轉盤單元程序、爪扣上料單元程序以及螺紋蓋上料單元程序，其中轉盤單元程序需要著重考慮伺服在無限長軸運行狀態下的累計誤差消除問題；爪扣上料機構單元程序需要著重考慮落料穩定性的問題；螺紋蓋上料單元程序需要供料速度以及合蓋穩定性的問題。

3.1 轉盤單元程序設計

上文中轉盤單元著重要考慮的問題就是如何在高轉速下確保伺服定位精度，同時要考慮在軟件內部進行伺服運行累計誤差的消除。其解決方案是在伺服參數設置時盡量減少伺服的加減速時間，同時伺服每旋轉3圈，需要對伺服進行一次尋找原點操作以便重新定位可以消除累計誤差。這樣就能既保證了轉盤運行的速度，又保證了轉盤定位的精度。同時依靠伺服定位完成標志位將上文所述狀態寄存器置位不同的狀態數值，確保其他機構收到正確的置具狀態指令，以便完成其機構的后序動作。轉盤單元程序流程圖如圖2所示。

圖2 轉盤單元程序流程圖

由轉盤單元程序可以看出，程序主要由兩個循環構成，一個是轉盤自身運行時需要消除累計誤差，所以在定位36次(3圈)后進行的回零動作；另一個是轉盤定位完成后將工位狀態信息前移。確保其他機構在收到工位狀態后進行相關動作。轉盤機構單元核心部分程序如下：

A s3_A_turntable_operatio //轉盤定位完成

ED

MOVW PH_11Posstate, PH_12Posstate //標志寄存器狀態前移

MOVW PH_10Posstate, PH_11Posstate

…

MOVW PH_2Posstate, PH_3Posstate

MOVW PH_1Posstate, PH_2Posstate

//

LD SV1_movedone

EU

LDW= c_cycle_count, +36 //定位36次(3圈)后周期尋原

A SV1_homedone

EU

O First_Scan_On

O a_seriousalarm

CTU c_cycle_count, +37

3.2 爪扣上料單元程序設計

設備初始化完成后，第一工位就是爪扣上料機構，阻擋氣缸開啟，爪扣物料由于重力下落至夾爪氣缸處，夾爪氣缸抓取物料，隨同伺服直線模組運行至轉盤置具上方，此時判定轉盤定位完成，即將夾爪氣缸送開，物料落入置具中[4]。隨后重復執行此過程，實現爪扣上料自動化，同時在下一個工位對爪扣是否放置到位進行光電檢測，確保置具上有物料。

圖3 爪扣上料單元程序流程圖

爪扣上料單元核心部分程序如下：

LD s_production_conditions

LPS

AN s_suspend

A s3_A_firstpick_qre //首次取爪扣標志位

A i_sqemoveclCY1homePos

A i_sqepickclCY2homekPos

A SV2_homedone

S s3_A_SV2pickPos, 1 //判定伺服位置

R s3_A_firstpick_qre, 1

A i_sqemoveclCY1homePos

A i_sqepickclCY2homekPos

A PH_qrecheck

S s3_A_cylingwork, 1 //氣缸執行動作

R s3_A_SV2pickPos, 1

R s3_A_sqeworkagain, 1

LPS

AW<> PH_outcounts, +1

S s3_A_sqeworkagain, 1 //再次執行動作標志位

LPP

R s3_A_SV2backpickPos, 1;

3.3 螺紋蓋上料單元程序設計

螺紋蓋上料單元位于爪扣上料單元之后，在準備階段，螺紋蓋上料機構就已經提前完成了送料、抓取、移動的動作，此時當轉盤伺服攜帶帶有爪扣的置具定位到螺紋蓋上料工位時，PP模組下落，并打開夾爪氣缸，此時螺紋蓋就能反扣于爪扣之上。同時在后一工位對螺紋蓋進行有無檢測，確保到焊接工位前置具有物料。螺紋蓋上料單元程序流程圖如圖4所示[5]。

圖4 螺紋蓋上料單元程序流程圖

螺紋蓋上料單元程序的部分核心程序段如下：

LD s_production_conditions

LPS

AN s3_A_putaircationagain

S s3_A_firstdonelow, 1 //氣缸推料執行動作

LDN PH_circheck2

ON i_ciroutcyCY5workPos //夾爪氣缸執行動作

S s3_A_SV3pickPos, 1 //PP模組去放料

R s3_A_pickcircation, 1

R s3_A_outcir, 1

LRD

A s3_A_cirpickcation //PP模組去放料完成

LRD

A s3_A_SV3pickwaitePos2 //PP模組回取料位

EU

S s3_A_pickcirdone, 1

4 結 語

在金屬桶件需求日益增大的社會環境下，配套桶口件的需求也越來越多，而傳統工藝生產桶口件不僅效率低，成品率也不高，越來越跟不上客戶對桶口件產品本身的質量與數量需求。同時實際生產結果高速碰焊機，其工作效率能夠達到設計的90只/min，在提高生產效率的同時，提升了產品質量。同時操作人員也能通過友好人機界面時時關注設備運行情況，當設備產生報警時能夠及時對生產設備進行檢修，保障了設備生產效率以及設備與人員安全。