基于PLC的柔性上下料生產線控制系統設計

摘"要：為滿足板料自動倉儲、出庫、上料與下料等，設計基于PLC的柔性上下料生產線控制系統。該生產線主要由立體料庫、送料小車、出料小車與上下料桁架機器人組成。在McgsPro下完成控制系統的人機交互界面的設計，在TwinCAT下完成控制系統的I/O模塊和PLC程序的編寫。該系統不僅可以高效率、高精度控制各個機構的運動，還可以通過上位機畫面實時監控工作狀態。通過實際程序調試得出：各機構運行可靠穩定，能夠滿足板料的自動出入庫與上下料功能，提高了生產效率，具有很高的實用價值。

關鍵詞：柔性上下料生產線；立體料庫；上下料桁架機器人；PLC

中圖分類號：TP278;TP242""文獻標志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0129-05

Design of Flexible Loading and Unloading Production Line Control System Based on PLC

XU Chaofan1， WANG Zhenhua1， ZHONG Sheng2， PU Yong2， FENG Yuqing1

（1. College of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science amp; Technology， Nanjing 210094， China；

2. Yangzhou Antil Automation Technology Co.， Ltd.， Yangzhou 211407，China）

Abstract：In order to meet the requirements of automatic storage， unloading， feeding and unloading of sheet materials， a flexible loading and unloading production line control system based on PLC is designed. The line is mainly composed of three-dimensional material warehouse， feeding trolley， discharging trolley and loading and unloading truss robot. The human-computer interaction interface of the control system was designed under McgsPro， and the I/O module and PLC program of the control system were written under TwinCAT. The system can not only control the motion of each mechanism with high efficiency and precision， but also monitor the working state through the upper computer screen. With the actual program debugging， it is concluded that the operation of each mechanism is reliable and stable， which can meet the automatic loading and unloading functions of sheet material， improve the production efficiency， and has high practical value.

Keywords：flexible loading and unloading production line；stereoscopic material library；loading and unloading truss robot；PLC

0"引言

鈑金加工是機械制造領域的重要組成部分，在汽車、電器以及通信等行業具有十分重要的地位。而如今，我國制造業正朝著智能制造方向發展，設備制造水平不斷進步，各行業對鈑金加工產品的需求也在不斷增長，為鈑金加工企業提供了很大的商機［1-3］。但國內鈑金加工上下料生產線需要人工編號存儲板料，人工完成板材出庫，對于大批量切割板材的應用，這樣的生產線效率低下，因此鈑金加工企業越來越注重自動化及柔性化生產［4-5］。

針對上述問題，本文設計的柔性上下料生產線包括立體料庫、送料小車、出料小車及上下料桁架機器人，能夠完全實現板材的自動出入庫與上下料等功能。控制系統是以PLC為主控單元，選擇氣動元件、異步電機與伺服電機作為執行機構，根據板材激光切割的流程，制定了完整柔性生產線的運行方案。完成了整體結構設計、系統硬件設計及軟件設計［6］。該柔性生產線無需人工勞動，實現了自動化控制，提高了生產效率，具有很高的實用價值。

1"柔性上下料生產線整體結構

根據生產線工作要求，升降機從立體料庫中取出物料托盤，放置于立體料庫最下層的送料小車上，送料小車移動至上料位置，再由上下料桁架機器人吸取托盤中的板材，通過真空吸盤與氣缸完成對板材的分層與測厚操作，確保每次只吸取單層板材［7］。然后再將板材放置于出料小車上，最后出料小車將板材送至激光切割機處，根據切割任務要求完成切割，從而形成一套完整的柔性自動化上下料生產線。其生產線如圖1所示。

1.1"上下料桁架機器人

該生產線中的上下料桁架機器人為兩軸機器人，主要由C柱、橫梁（x軸）、豎梁（z軸）、桁架機械手（真空吸盤、料叉和氣缸等）以及傳動系統（齒輪齒條機構）組成。桁架機械手通過真空吸盤實現板材取放功能并配有分層裝置和測厚裝置。測厚裝置由電磁閥組成，實現對板材的測厚操作；分層裝置由電磁閥與真空吸盤組成，通過分層吸盤的不同頻率吸放板材，實現每次只取單張板材的功能。桁架機器人通過x軸橫梁和z軸豎梁的移動來實現板材上料與下料的功能。其整體結構如圖2所示。

1.2"立體料庫

立體料庫作為柔性上下料生產線的物料中心，為激光切割中心存儲與運送板材，是生產線的重要組成部分［8-9］。此生產線中的立體料庫為8層料庫，主要由升降機、物料托盤（板材儲放）、料庫本體以及傳動系統（齒輪齒條傳動機構）組成。升降機通過水平鏈條實現物料托盤的入庫和出庫的功能，升降機通過垂直鏈條實現物料托盤上下移動的功能。

2"柔性上下料系統總體方案設計

2.1"技術要求

根據生產線整體結構可知，上下料桁架機器人和立體料庫對整條生產線起到十分重要的作用，其控制系統都需要對其進行精準定位控制。其部分技術參數如表1、表2所示。立體料庫中物料托盤與其儲存板材總質量超過3t，因此需降低其移動速度來保證運動平穩性。

2.2"控制要求

為了滿足生產線實際要求，控制系統應具有可靠性、穩定性、人機交互功能以及良好的實時性［10］。因此，該生產線控制系統采用PLC+HMI（觸摸屏）結構。即使用PLC通過輸出脈沖對伺服系統進行控制，通過編碼器實時反饋信息給伺服驅動器并進行校正，從而使立體料庫與機器人精準運動至設定的位置，最終完成整條生產線的運動。同時將立體料庫與機器人實時運動信息傳遞給HMI，通過觸摸屏可直接對立體料庫與機器人進行控制。其部分控制系統方案如圖3所示。

2.3"工作流程

根據生產線結構設計與控制要求，柔性上下料生產線流程主要分為4個步驟，板材的出庫、送料小車的搬運、上下料機器人的上料以及出料小車的搬運。具體工作流程如下。

1）板材的出庫：立體料庫接收到PLC的出庫信號后，料庫鎖緊氣缸打開，升降機垂直軸運動，升到對應板材庫層的高度，通過水平料勾軸的運動，將托盤與板材拉至升降機上，升降機下降至送料小車高度，再由料勾運動，將托盤與板材拉運至送料小車上。

2）送料小車的搬運：小車接收到托盤到位的信號后，小車鎖緊氣缸打開，開始運動，在第一個限位開關處減速，在第二個限位開關處停止，等待上料。

3）上下料機器人的上料：接收到小車到位信號后，上下料機器人z軸向下運動至板材上料高度，電磁閥控制真空吸盤吸取板材；控制氣缸完成板材的測厚工作，然后機器人x軸運動至出料小車上方，z軸向下運動至下料高度，打開叉齒，放置板材于出料小車上。

4）出料小車的搬運：小車接收到板材下料完成信號后，運動至激光切割機處，等待切割。

3"柔性上下料系統的硬件設計

3.1"控制器選型

柔性上下料生產線控制系統主要由控制器、觸摸屏和執行機構組成。控制器作為系統的核心部件，負責實現系統脈沖指令發送、伺服電機運動計算以及信息反饋處理等功能［11］。該生產線采用倍福CX9020系列嵌入式控制器，該控制器具有自動識別總線系統的功能，能夠自動切換到相應的工作模式，提高了整個系統的可靠性，使得系統更加簡潔和高度集成化。系統配備3個EL1809和2個EL2809倍福數字量模塊，每個數字量模塊含有16個數字信號，來完成信號的輸入與輸出，如表3所示。

3.2"氣動元件選型

氣動控制元件選擇兩位三通電磁閥與兩位五通電磁閥，氣動執行元件選擇真空吸盤與氣缸。生產線中上下料桁架機器人利用兩位三通電磁閥控制真空吸盤實現取放板材的功能，利用兩位五通電磁閥控制3個氣缸分別實現測厚裝置水平伸縮、垂直升降和夾緊等功能，利用位移傳感器測得板材厚度與單層厚度進行對比，確保每次只吸取單層板材。

3.3"伺服系統選型

伺服驅動器與伺服電機組成的伺服系統能夠實現對速度、位置等的補償［12］，用在上下料桁架機器人水平軸與垂直軸的齒輪齒條運動以及立體料庫料勾軸與升降機軸的齒輪齒條運動；變頻器與異步電機組成的變頻系統通過限位開關來控制極限位置，用在小車與桁架機械手的鏈輪鏈條運動控制。其中，上下料桁架機器人主要實現板材精準位置的上下料，立體料庫主要實現板材精準位置的出庫與入庫。因此其伺服系統選擇位置控制方式，其伺服控制原理如圖4所示。

3.4"觸摸屏選型

觸摸屏主要用于生產線運行過程中系統參數設置與可視化監控等，為滿足整條生產線的可視化效果，采用昆侖通態TP1031NI系列觸摸屏作為系統的上位機。該觸摸屏擁有十分強大的Cortex-A7多核處理器，工作主頻高達1GHz，同時裝了McgsPro組態軟件，可以實現全網監控與遠程控制等功能，主要可以實時顯示立體料庫與上下料桁架機器人的位置與運行狀況等信息，系統出故障時人機交互頁面會及時顯示相應的報警信息。實物接口如圖5所示。

4"柔性上下料系統的軟件設計

系統的軟件設計是實現上下料機器人與立體料庫功能的重要保障，其目標是將需要的各種功能有序組織起來，使得系統有較好的操作性與可靠性以及較高的效率與靈活性。

4.1"PLC程序設計

根據生產線的動作順序，將立體料庫與送料小車作為第1個單元模塊，配置1個電氣柜與觸摸屏；將上下料機器人與出料小車作為第2個單元模塊，配置1個電氣柜與觸摸屏。然后在TwinCAT軟件中對單元模塊進行PLC編程。由于輸入輸出信號較多，控制過程比較復雜，因此對模塊的PLC程序進行功能劃分：料勾出入庫運動、升降機上下運動、小車運動、上料與下料運動功能塊以及報警、測厚、限位與復位等功能塊。分別對功能塊進行PLC程序編寫，使得程序邏輯清晰。再將程序設計為3種運行控制模式：自動模式、半自動模式和手動模式。在手動模式下，支持各種動作編輯以及參數設置，主要用在程序調試場合。在半自動模式下，可根據手動模式下設置好的參數分別進行各個運動功能塊的運行，檢測各個部件進行的流暢性以及程序的合理性。在自動模式下，可在設置好的參數下直接完成整條生產線的運動過程。ST語言相比于其他語言，具有良好的跨平臺移植性、方便的數學計算、輕松實現復雜算法、輕松進階計算機高級語言與注釋方便等優點，因此PLC編程使用ST語言。

4.2"人機交互頁面

為滿足立體料庫與機器人系統的可視化監控，HMI界面中設置主界面、手動模式、參數界面、自動模式、輸入監控、輸出監控以及報警監控等畫面。因此，根據控制系統的輸入輸出信號以及PLC程序的各運行功能塊，在昆侖通態界面編輯軟件McgsPro中通過添加畫面，設置現場操作所需要的文本顯示框，部分人機交互頁面如圖6所示。

5"試驗測試

柔性上下料生產線控制系統的軟硬件設計完成后，根據生產線機械系統各部件的位置與控制系統的電氣原理圖，完成整條生產線各部件之間的接線。

連線全部完畢之后，調節變頻器與伺服驅動器的參數，將計算機上編寫的PLC程序下載到控制器中，將HMI編輯界面下載到觸摸屏中，通過數據線實現PLC與觸摸屏之間的通信。然后在觸摸屏上進行參數設定，如最大速度、最大加速度、正負最大限位和原點位置等。根據柔性上下料生產線的運動順序在不同觸摸屏中進行操作，對每個輸入輸出點、PLC程序模塊與操作方式進行調試。通過手動模式單獨執行立體料庫的水平鏈條與垂直鏈條的動作，確保其運動平穩，未出現較大的振動與沖擊。單獨執行小車的運動，確保可以沿預設路徑準確運行，在限位開關處也可以及時減速與停住。單獨執行上下料桁架機器人的x軸與z軸的運動，保證其運動平穩且精確。單獨控制執行桁架機械手的真空吸盤與氣缸，能準確完成板材的吸取與分層測厚等功能。保存手動模式下運動過程中的關鍵位置數據信息，如圖7所示，為自動模式提供數據參考。

在半自動模式下，控制系統可以順利完成板材的出庫、入庫、上料與下料等單個模塊的動作，最后在自動模式下運行，控制系統可以準確完成整條柔性上下料生產線的運動過程，通過觸摸屏上數據顯示，立體料庫與上下料機器人均可滿足速度與重復定位精度的要求，其上下料機器人的實際運行界面如圖8所示。

6"結語

1）首先對柔性上下料生產線的機械結構進行設計，完成了以立體料庫、上下料機器人與小車為主體的全自動化柔性上下料生產線。然后對生產線的控制系統進行設計，結合實際生產線要求設計了以伺服電機、伺服驅動器為主的伺服控制系統，并采用了以“PLC+HMI”的控制模式。在此前提下，又進行了電氣元件的選型、HMI人機界面的編輯以及PLC程序的編輯。

2）實際程序調試表明，基于PLC控制系統的立體料庫與上下料桁架機器人運動過程中不僅具有高精度、高穩定性等優點，還滿足速度以及重復定位精度的實際要求。因此，該控制系統可滿足板料自動倉儲、出庫、上料與下料等功能，解決了傳統上下料工作仍需人工搬運、存儲與出庫等問題，形成了一套完整的自動化柔性上下料生產線控制系統，大大提高了生產效率，具有很高的實用價值。

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收稿日期：20220823