鋼筋連接套筒智能檢測生產線控制系統設計

張嘉鈺， 楊碩， 王會飛， 吳朋， 常宏杰， 牛虎利

（1.河北科技大學機械工程學院， 河北石家莊 050018； 2.河北易達鋼筋連接技術有限公司， 河北石家莊 052160）

0 前言

鋼筋套筒擠壓連接是通過徑向擠壓力使連接件鋼套筒產生塑性變形后， 與帶肋鋼筋緊密咬合， 從而傳遞受力的一種連接方式。 鋼筋套筒連接技術經過多年的發展逐漸成熟穩定， 成本也不斷降低， 且其具有無污染、 質量穩定可靠、 適用范圍廣、 操作簡單、 強度高等諸多優點［1－2］， 已經在工業、 民用、 道路、 橋梁、 水工建筑、 海洋工程、 核電工程等領域廣泛應用［3－4］。 但是隨著鋼筋連接套筒的大批量生產， 如何高效、 準確地檢測套筒的品質成為了一個難題。 工業生產中的檢查、 測量等涉及連續大批量生產且對外觀質量要求非常高， 通常這種高度重復性的動作依靠人工完成， 在增加了巨大的人工成本和管理成本的同時， 仍然不能保證檢測質量［5－6］。

為了提高工件檢測的工作效率和質量， 智能檢測技術應運而生。 智能檢測生產線是利用計算機取代傳統的手工檢測過程， 具有高效、 集成的特點［7－8］。PLC 技術與網絡技術的有機結合可以滿足系統的可靠性、 實時性和可視化要求， 設計智能化生產線控制系統是企業提高生產效率的重要手段， 也是確保質量和經濟效益的必然選擇［9－11］。

鑒于此， 本文作者提出一種以S7?200 Smart 系列PLC 為核心， 使用Smart 1000 IE V3， 人機界面作為上位機監控設備， 結合PLC 編程軟件STEP 7、 組態軟件WinCC flexible Smart V3， 實現基于PLC 的鋼筋連接套筒智能檢測生產線控制系統設計。

1 生產線組成與工作原理

鋼筋連接套筒智能檢測生產線外觀如圖1 所示，它集成了套筒上下料裝置、 清掃裝置、 通規物理檢測裝置、 止規物理檢測裝置、 高度外徑檢測裝置、 光規物理檢測裝置、 保護套上料安裝裝置和回轉盤轉位裝置， 由中控PLC 集中控制。

套筒上下料裝置完成工件的自動上下料， 清掃裝置對工件進行清掃， 通規、 止規、 光規檢測裝置對工件進行內螺紋檢測， 高度外徑檢測裝置檢測工件的高度和外徑， 保護套上料安裝裝置進行保護套的上料和安裝， 整個裝置通過回轉盤進行轉位操作。

（1） 上料工位

首先三軸氣缸推動氣動手指夾取物料， 滑臺氣缸橫向左移到達工位， 隨后三軸氣缸下移到指定位置，氣動手指釋放物料， 隨后各個氣缸恢復初始態。

（2） 清掃工位

步進電機驅動直線模組實現上下進給運動， 工作期間絲杠直線模組為勻速直線運動， 動力頭勻速轉動。

（3） 通、 止規檢測工位

首先氣缸夾緊工件， 伺服電機驅動動力頭帶動量具轉動， 步進電機驅動模組帶動動力頭下移進行檢測。 絲杠模組設置始、 末2 個極限位置的光電開關，控制通止規的往復運動距離。

（4） 光規檢測工位

首先氣缸夾緊工件， 電機驅動模組下移， 檢測完后上移。 絲杠模組設置始、 末2 個極限位置的光電開關， 控制光規的往復運動距離。

（5） 高度外徑檢測工位

套筒到達工位后， 首先氣缸夾緊工件， 同時位移傳感器接觸到工件表面進行外徑測量， 穩定1 ～2 s，將數據儲存起來。 隨后由滑臺氣缸帶動高度測量的位移傳感器下移進行測量， 并將數據存儲。

（6） 蓋帽工位

震動上料盤將保護帽運輸到指定位置， 雙軸氣缸帶動真空吸盤完成吸帽并將保護帽放在套筒上， 壓帽機構由三軸氣缸下壓2 次后恢復原始位置。

（7） 下料工位

首先三軸氣缸向下移動帶動氣動手指夾取檢測完的物料， 然后三軸氣缸向上移動恢復原位， 滑臺氣缸橫向右移到達下料處下料。

（8） 裝袋工位

檢測完畢的套筒由下料抓取氣缸放到平臺料道內， 若工件不合格， 剔除氣缸將不合格工件剔除； 若工件無問題， 則激光打標機打標并將套筒推入裝袋機平臺。 當裝袋機平臺內套筒數量達到裝袋要求的數量時， 裝袋機進給氣缸前進， 完成裝袋。

（9） 旋轉主盤

旋轉主盤是各裝配工位的操作平臺， 上面均勻分布有8 個裝配模座。 由異步電機通過凸輪分割器驅動主盤旋轉， 配合光電開關， 電機每轉一圈會自動停止一次， 主盤正好旋轉45°， 等各工位完成裝配后， 電機重新啟動進行下一次旋轉。

2 氣動系統設計

在整個設備中， 大部分工藝動作采用氣動元件實現， 包括對工件進行夾持和定位等。 考慮成本、 行程、 負載和安裝方式等因素， 選取表1 所示的各氣動元件型號。 系統氣動原理如圖2 所示。

表1 氣缸型號Tab.1 Cylinder model

圖2 氣動原理Fig.2 Pneumatic principle

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

3.1.1 PLC 選型

基于以上工藝過程和控制要求， 考慮到PLC 結合觸摸屏的控制系統具有較高的可靠性， 操作維護方便［12－13］， 采用PLC 為底層控制器、 以觸摸屏為人機界面的控制方案， 其控制系統硬件結構如圖3 所示。該系統選用西門子S7?200 Smart 系列PLC 作為主控單元， 其中CPU 模塊選用ST60 和ST30， 共集成有54個數字量輸入、 36 個數字量輸出。 選用EM DT32、EM DE16、 AE08 擴展模塊， 其中擴展模塊AE08 用來接收測量高度和外徑的傳感器信號及通、 止、 光規工位3 個伺服電機的轉矩信號。

圖3 硬件結構Fig.3 Hardware structure

3.1.2 傳感器選型

設備中的傳感器主要用來檢測動作是否到位， 其中氣缸到位檢測選用配套的磁性開關， 體積小巧， 便于安裝接線。 其他部位到位檢測選用光電開關， 檢測距離長、 響應速度快、 分辨能力高。 選用的各傳感器如表2 所示。

表2 傳感器選型Tab.2 Sensor selection

3.1.3 電機驅動器的選型

驅動器一般通過位置、 速度和力矩3 種方式對電機進行控制， 實現高精度傳動系統定位［14］。 根據機構的運動速度和轉矩選擇合適的電機及配套驅動器型號， 如表3 所示。

表3 電機及驅動器選型Tab.3 Selection of motor and driver

3.2 控制系統軟件設計

PLC 程序利用西門子STEP7?MicroWIN SMART V2.4 軟件編寫， 采用模塊式結構， 除將初始化、 復位、 手自動運行和電機操作分別編寫成子程序外， 還分別對各個工位進行模塊化編寫， 在主程序中按條件調用。 手動運行主要用在檢修和調試過程中， 可以單獨操作某一電機或者氣缸， 能夠準確高效地完成各項動作； 工位運行時， 可以單獨操作某一工位， 以便按工位進行調試； 自動運行時， 可以實現各氣缸和電機的順序延時啟停， 使各工位在動作互不干涉的情況下盡可能多地并行工作， 以提高設備整體運行速度。 控制系統程序設計流程如圖4 所示。

圖4 控制系統程序設計流程Fig.4 Control system program design flow

其中， 步進電機和伺服電機控制子程序可利用編程軟件自帶的“運動控制向導” 工具生成， 此系統中6 個電機分別由2 個PLC 控制， 其中ST?60 分配清掃模組的步進電機、 通規模組的步進電機和通規工位的伺服電機。 該向導工具可分配PLC 控制端口， 設置電機運行的速度、 加速度和工程單位脈沖數等， 還可根據所選擇的測量單位設置行程或者角度， 如圖5 所示。生成的運動控制子程序可根據條件在主程序中調用，圖6 所示為步進電機手動控制程序和位置控制程序。

圖5 運動控制向導Fig.5 Motioncontrol wizard： （a） motor distribution； （b）configure motor parameter

圖6 步進電機手動控制程序（a） 和自動控制程序（b）Fig.6 Step motor manual control procedure （a） and automatic control procedure （b）

4 人機交互界（HMI） 面設計

人機交互界面選擇西門子WinCC Flexible SMART V3 組態軟件開發， 通過與PLC 通信交換數據， 在HMI 中可以對電機、 氣缸等執行器件進行控制， 并能實時監控系統的各種狀態［15］。 手動控制畫面中所有組態按工位進行布局， 圖7 （a） 所示為上料工位中的上料氣缸正在運行中。 從手動模式切換到自動模式時， 首先進入復位界面對設備進行復位， 防止設備在手動模式下運行未歸位而發生故障。 在自動控制界面中設置啟動、 停止、 件數置零和確認報警等功能按鈕， 如圖7 （b） 所示。

在設備發生故障、 發出報警信息的同時， 圖中白色的矩形框會變成黃色并持續閃爍， 同時蜂鳴器會發出警報， 此時按下“確認報警” 按鈕會解除報警。 為方便后續查看設備的報警情況， 此系統中設有報警記錄功能， 通過外接U 盤可以記錄報警記錄， 也可在觸摸屏上設置報警視圖界面， 如圖7 （c） 所示。

作為一臺實驗設備， 數據的記錄非常必要， 該功能通過觸摸屏的“數據記錄” 功能實現。 在組態軟件“數據記錄” 相應選項中設置數據采集的記錄方法、 采集模式、 存儲位置等， 在需要記錄的變量的屬性中， 選擇“記錄” 并將已建好的數據記錄文件配置在“數據記錄” 處， 即可實現數據記錄功能。 設置數據記錄的趨勢視圖， 直觀地反映所加工一批工件的質量問題。 為方便將記錄的數據永久保存， SmartLine?IE V3 開發了輸出到U 盤功能， 文件最終以TXT 格式保存到U 盤， 保存的通規伺服電機扭矩值生成曲線如圖8 所示。

圖8 數據視圖Fig.8 Data view

5 結語

為解決現階段實際生產過程中套筒的內螺紋及外觀檢測多采用傳統的人工機械接觸式檢測造成的檢測效率低、 工作強度大等問題， 進行了套筒智能檢測生產線控制系統設計。 根據生產線的工作原理， 分別進行了該系統的氣動系統設計、 控制系統硬件設計、 控制系統軟件設計， 形成了以PLC 為核心、 以觸摸屏為人機界面的鋼筋連接套筒智能檢測生產線的控制系統。 并將檢測的電機扭矩值、 套筒高度、 外徑值記錄下來， 方便后續查看同一批次套筒的加工質量。 此外， 將設備的報警信息加以記錄， 以便進行后續的維護。 根據前述設計方案開發的設備樣機， 經反復調整優化， 可以順利完成全部工藝過程， 運行平穩可靠，當前檢測效率約為8 個/min， 大大提高了檢測效率。