劉其洪，郭 建

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

0 引言

目前國內腳輪支架多是手工沖壓生產，傳統(tǒng)的人工上下料沖壓不僅安全性低，而且工人容易疲勞，造成生產事故。近幾年來，有部分國內廠家采用多工位級進模生產腳輪支架，可以在一副模具中完成沖裁、彎曲、拉伸翻孔等多種沖壓工序[1]，從而提高了腳輪支架的自動生化生產程度，但是級進模對沖床的要求高，所以很難廣泛應用。國外的多臺沖床連線機械手是專為搭配3臺以上沖床連續(xù)自動化沖壓作業(yè)所設計的沖壓機械手[2]，可以用于腳輪支架的自動化生產，但是價格非常昂貴。文中根據(jù)客戶的要求，專門設計了一種腳輪支架自動化沖壓生產線，以提高生產效率，提升產品競爭力。

1 工藝流程和生產線的組成

腳輪支架加工工藝流程如圖1所示。生產線需要完成上料，沖孔壓印，拉深成形，側沖孔，以及腳輪支架頂部的沖孔，整形等工序。文中設計開發(fā)的自動化生產線由6臺機械手、4臺沖床和1臺上料機組成。

圖1 工藝流程

腳輪支架生產線的示意圖如圖2所示，沖孔壓印工序采用了一個有兩工位的機械手，定義為一號機械手。拉深工序采用了2個機械手，定義為二號機械手和三號機械手。側沖孔工序采用了2個機械手，定義為四號機械手和五號機械手。頂部沖孔和整形采用了2個機械手，定義為五號機械手和六號機械手。機械手的任務是自動抓取上一工位完成沖壓的腳輪支架零件，并運送到下一工位，并且準確地放入模具的指定位置。根據(jù)各個工序和模具的特點，一號到五號機械手需要實現(xiàn)Z軸的升降和旋轉運動以及機械手末端的抓取、翻轉等運動，六號機械手需要實現(xiàn)Z軸的升降以及X軸的水平移動。

2 控制要求

腳輪支架沖壓自動化生產線要實現(xiàn)工件的快速取放與運輸，除了要保證可以連續(xù)穩(wěn)定可靠的運行，還有以下功能要求：

(1)緊急停止，系統(tǒng)在工作狀態(tài)隨時會遇到緊急情況，所以需要在設備上安裝緊急停止按鈕。一旦發(fā)生緊急情況，只需要按下緊急停止按鈕，整套生產線立即停止工作；緊急情況處理后，按原點復歸按鈕使生產線各部分回歸原位；

(2)安全性。腳輪支架自動化生產線的沖床的沖壓力都在40 t以上，只有保證腳輪支架入模到位，各個機械手沒有運動障礙，壓力機方可沖壓，否則壓力機不能動作；

(3)生產運行模式切換，該條生產線的運行方式有單次生產模式和循環(huán)生產模式。單次生產模式主要用于設備的監(jiān)測、調試，循環(huán)生產模式主要用于實際的生產過程；

圖2 腳輪支架生產線示意圖

(4)故障監(jiān)測報警。要求在生產線在生產運行模式中，一旦出現(xiàn)錯誤(定位失誤、工件滑脫等)，傳感器檢測后，蜂鳴器就會報警，系統(tǒng)進入報警中斷模式，故障排除后，按下報警復位后，系統(tǒng)繼續(xù)運行。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

可編程控制器(PLC) 具有通用性強，維修方便，可靠性高，編程簡單等優(yōu)點[3]。但是PLC也有缺點，它在人機對話、故障判斷和線路修改等方面不方便。為了能直觀的了解自動化生產線的加工過程和對加工過程的實時在線監(jiān)控，需要選擇一個上位機來配合PLC，這樣才能組成一個性能優(yōu)良的自動控制系統(tǒng)。因此設計了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動化生產的控制系統(tǒng)。因此設計了一套基于PLC和觸摸屏的腳輪自動化生產的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結構

PLC內部的CPU單元負責是控制整個自動化生產線的控制過程。觸摸屏通過RS-232串口和CPU通訊，傳達用戶的指令。系統(tǒng)輸出模塊向伺服驅動器傳送輸出信號，進而使伺服電機運動，控制機械手的升降運動和機械臂的旋轉運動。同時伺服電機內部的編碼器和位置傳感器把機械手的位置信號反饋到輸入模塊，CPU單元從輸入模塊讀取數(shù)據(jù)，進而改變伺服電機的運動狀態(tài)，由此構成了整個控制系統(tǒng)的回路[4]。

根據(jù)生產線所需要的I/O點數(shù)量，確定PLC的型號和觸摸屏型號。PLC選用的是FX3u-80M[5]型號的產品，觸摸屏的型號是A975GOT1000[6]型號的產品。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計包括PLC控制軟件和觸摸屏設計軟件兩部分。

4．1PLC控制軟件設計

GX-Developer軟件是用于三菱系列PLC的編程軟件，具有項目管理、程序輸入、編譯鏈接、模擬仿真及程序調試功能。程序采用SFC順序功能圖編寫，程序包括初始化模塊和生產運行模塊?？刂瞥绦虻牧鞒倘鐖D4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

控制系統(tǒng)上電后，首先進入初始化模塊，只在程序上電后執(zhí)行1次，然后進入運行模塊。其中最先必須進行初始定位模式，當機械手接收到初始定位指令后，根據(jù)位置傳感器反饋信號機械手升降、旋轉回到原點位置，再執(zhí)行預設的位置控制指令運動回到初始位置。初始定位完成后，進入生產運行模式，上料機自動上料，然后機械手以取件、搬運、送件的循環(huán)順序開始運行，依次完成沖孔壓印，拉深成形，側沖孔，頂部沖孔，整形等工序。在生產運行模式中，無論哪一道工序出現(xiàn)故障，經過傳感器檢測后，系統(tǒng)就會進入報警中斷模式，運動即刻停止，排除故障后，按下報警復位按鈕，就可以繼續(xù)生產運行。生產結束后，向機械手發(fā)送復位指令，機械手回到初始位置，等待關機。

初始定位過程要求既迅速又準確，機械手的定位依賴于伺服電機的運動，該系統(tǒng)伺服電機的控制方式采用的是位置控制，輸入的脈沖數(shù)控制機械手的位置，以輸入的脈沖頻率來控制速度。對伺服電機的最高速度、爬行速度、原點回歸速度以及加速和減速時間等一系列參數(shù)進行賦值的PLC梯形圖如圖5所示。

圖5初始定位對應的參數(shù)賦值程序

4．2觸摸屏軟件設計

GT Designer3是人機界面編程軟件，它提供了多種功能器件和功能組件，能組合各種顯示和控制功能。觸摸屏軟件設計包括界面設計和信息設計，設計步驟可以分為3個部分。

(1)創(chuàng)建可視化的界面，在實際應用中，要結合加工的控制要求設計不同的畫面[7]；

(2)設置通訊參數(shù)以實現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)通信；

(3)設定變量。變量在觸摸屏的組態(tài)功能與PLC的相應I/O接點以及存儲單元之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)觸摸屏敏感元件對PLC參數(shù)的輸入，PLC當前值以及報警信號向觸摸屏的輸出，最后通過觸摸屏RS-232串口實現(xiàn)與PLC的通訊[8]。

為實現(xiàn)觸摸屏的觸控功能，需對初始定位按鍵進行數(shù)據(jù)寫入設置，并編寫相應的PLC代碼(梯形圖)。與初始定位按鍵所對應的PLC程序如圖6所示。

圖6 初始定位按鍵對應的PLC程序

根據(jù)腳輪加工生產線的控制要求，設計的觸摸屏主窗口界面如圖7所示，故障報警界面如圖8所示。初始定位模式用于系統(tǒng)復位到系統(tǒng)設置狀態(tài)；在生產線自動運行前必須先啟動初始定位模式；啟動單次生產模式和循環(huán)生產模式必須進行系統(tǒng)的初始定位，當運行中出現(xiàn)故障，觸摸屏就彈出故障顯示界面同時蜂鳴器報警，故障排除后，按下報警復位，生產線繼續(xù)運行。

圖7 觸摸屏主窗口設計

圖8 報警界面

5 結束語

腳輪支架沖壓自動化生產線已經運行一年多，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，界面操作方便，自動化程度高，充分發(fā)揮了觸摸屏人機界面友好的特點和PLC功能強、編程簡單、故障率低、易維護保養(yǎng)等優(yōu)點，提高了生產效率，降低了工人的勞動強度，很好地滿足了客戶的要求。

參考文獻：

[1]陳炎嗣．多工位級進模的發(fā)展與應用．金屬加工(冷加工)，2013(2)：14-17．

[2]松岡自動化．http：//www．aicne．com．

[3]王俊英，譚紅川．基于PLC和觸摸屏的高精度內圓磨床控制系統(tǒng)改造設計．制造業(yè)自動化，2012，34(16)：31-133．

[4]王焱，葉高翔，朱善安．PLC和觸摸屏在石英晶體諧振器組裝系統(tǒng)中的應用．機電工程，2006，23(10)：49-51．

[5]MITSUBISH公司．FX3U系列微型可編程控制器編程手冊，2009．

[6]MITSUBISH公司．A985GOT/ A975GOT/ A970GOT/ A960GOT用戶手冊，2007．

[7]HUANG，Qian，Qing，Hai，Heng，Jian，Sun．Designing Industrial Batching Based On Touch Panel And PLC ．The Ninth International Conference On Electric Measurement And Instrument，2009，(3)：281-284．

[8]岳明君，趙振．觸摸屏和PLC在棉花打包機控系統(tǒng)中的應用．機電一體化，2006，12(2)：66-67．

作者簡介：劉其洪(1966—)，副教授，主要研究領域為數(shù)字制造及計算機應用、計算機數(shù)控技術、現(xiàn)代檢測與監(jiān)控技術。

E-mail：qhliu@scut．edu．cn．

郭建(1987—)，碩士研究生，研究方向為數(shù)字制造及計算機應用研究。E-mail：gj8912866@163．com