李金義 王京

【摘要】本文通過對具體工程問題－車架的翻轉(zhuǎn)工位的具體分析，闡述了PIC控制的車架翻轉(zhuǎn)工位進(jìn)行設(shè)計(jì)的工作過程，對設(shè)計(jì)這樣的PLC系統(tǒng)過程中的程序設(shè)計(jì)和硬件的相關(guān)問題進(jìn)行了具體的分析，并提出了相應(yīng)的措施，以期為此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供有效的借鑒。

【關(guān)鍵詞】PLC；車架翻轉(zhuǎn)；分析

０引言

在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)迅速發(fā)展的今天，PLC控制的氣動(dòng)或液動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普及。在我國的汽車生產(chǎn)領(lǐng)域，許多大型車體和配件進(jìn)行人工操作不僅操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度低，而且容易因工人過于疲勞拖慢整條生產(chǎn)線的節(jié)拍，對企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大的干擾。針對這種狀況，為了更便于生產(chǎn)，降低對工人的素質(zhì)要求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，我們采用PLC自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)化生產(chǎn)，減少人工操作造成的問題。本文針對汽車車架翻轉(zhuǎn)工位的具體問題，對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了具體的論述，為PLC系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了借鑒。

１PLC控制車架翻轉(zhuǎn)工位的設(shè)計(jì)及分析

１.1系統(tǒng)的組成及工作過程分析

車架翻轉(zhuǎn)工位教學(xué)培訓(xùn)裝置實(shí)現(xiàn)模型汽車底盤翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，將模型汽車底盤翻轉(zhuǎn)180度，以實(shí)現(xiàn)對模型汽車底盤上下兩面進(jìn)行裝配的工藝。車架翻轉(zhuǎn)工位教學(xué)培訓(xùn)裝置由翻轉(zhuǎn)支持平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)傳送皮帶電機(jī)、翻轉(zhuǎn)傳送皮帶、翻轉(zhuǎn)電機(jī)、車架夾緊氣缸、提升用滾珠絲杠組成。

圖1為本裝置示意圖立體圖圖2車架翻轉(zhuǎn)工位結(jié)構(gòu)圖

其中，1是車架夾緊氣缸A ；2是翻轉(zhuǎn)電機(jī)A ；3是輸送皮帶電機(jī)；4是提升滾珠絲杠；5是車架夾緊氣缸B；6是翻轉(zhuǎn)電機(jī)B；7是翻轉(zhuǎn)支撐平臺(tái)。

如圖1所示，并根據(jù)圖描述各個(gè)部件之間的相對位置和連接關(guān)系。車架翻轉(zhuǎn)工位教學(xué)培訓(xùn)裝置由翻轉(zhuǎn)支持平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)傳送皮帶電機(jī)、翻轉(zhuǎn)傳送皮帶、翻轉(zhuǎn)電機(jī)、車架夾緊氣缸、提升用滾珠絲杠組成。翻轉(zhuǎn)支撐平臺(tái)通過地腳與脹管螺絲，與地面連接；翻轉(zhuǎn)傳送皮帶通過主動(dòng)軸，進(jìn)行傳動(dòng)，側(cè)部通過電機(jī)安裝板、鍵、鍵槽，與翻轉(zhuǎn)傳送皮帶電機(jī)進(jìn)行連接，達(dá)到機(jī)械傳動(dòng)目的；翻轉(zhuǎn)電機(jī)分別通過電機(jī)支架與螺栓，安裝于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，由同步帶及同步帶輪進(jìn)行傳動(dòng)；車架夾緊氣缸通過自帶的螺母，固定在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的內(nèi)側(cè)，并與翻轉(zhuǎn)電機(jī)連接；提升滾珠絲杠位于整個(gè)機(jī)構(gòu)的中央部分，通過絲杠支撐座和固定座，與翻轉(zhuǎn)電機(jī)及夾緊氣缸連接。

車架翻轉(zhuǎn)工位工作流程：（１）車架由上一工位，通過翻轉(zhuǎn)輸送皮帶，定位在翻轉(zhuǎn)工位的指定位置；（2）提升用滾珠絲杠工作，將整個(gè)翻轉(zhuǎn)夾具下移至一定高度；（3）車架夾緊氣缸A、B同時(shí)工作，負(fù)責(zé)將車架與翻轉(zhuǎn)夾具固定；（4）提升用滾珠絲杠工作，將整個(gè)翻轉(zhuǎn)夾具以及車架提升，以便為車架的翻轉(zhuǎn)預(yù)留出足夠的空間；（5）翻轉(zhuǎn)電機(jī)A、B同時(shí)工作，通過同步帶和帶輪，將車架進(jìn)行180度翻轉(zhuǎn)；（6）翻轉(zhuǎn)完畢后，將整個(gè)翻轉(zhuǎn)夾具下移至一定高度，夾具松開，車架經(jīng)輸送帶進(jìn)入下一工位。

1.2系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)分析

PLC控制系統(tǒng)的編程通常采用梯形圖語言，它是以掃描工作的方式進(jìn)行順序動(dòng)作的邏輯控制，其各部分的先后順序不太重要，但每條語句的輸入、輸出非常嚴(yán)格。系統(tǒng)編程通常包括以下幾個(gè)部分：（1）初始化命令，此命令主要目的在于對系統(tǒng)目前所處的狀態(tài)進(jìn)行檢測和存儲(chǔ)，設(shè)置標(biāo)志位等，為下一步的命令做好動(dòng)作準(zhǔn)備；（2）啟動(dòng)系統(tǒng)程序，系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)之前，必須確定所有動(dòng)作件處于零位（即停機(jī)位置），而針對氣缸要首先對其進(jìn)行反向充氣，然后再將確保其進(jìn)入初始位置；（3）手動(dòng)控制系統(tǒng)程序，編寫此處的程序主要是為了完成手動(dòng)控制面板所完成的動(dòng)作，與自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序分開；（4）自動(dòng)控制系統(tǒng)程序，通過完整的程序進(jìn)行正常控制的循環(huán)動(dòng)作過程；（5）步進(jìn)程序，在半自動(dòng)條件下對系統(tǒng)進(jìn)行步進(jìn)控制，使系統(tǒng)緩慢工作；（6）急停程序，急停程序分為兩種，一種是危險(xiǎn)急停，一旦啟動(dòng)此程序，所有的電磁鐵斷電，所有氣缸保持原位，直到報(bào)警解除，另一種是軟急停，繼電器狀態(tài)保存，使所有對應(yīng)電磁鐵輸出為零，這樣的狀態(tài)使氣缸保持原位，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)，不會(huì)對工件和系統(tǒng)造成沖擊，當(dāng)故障排除后，解除報(bào)警即可恢復(fù)運(yùn)行；（7）復(fù)位程序，當(dāng)系統(tǒng)需要緊急情況非正常停車時(shí)，沖擊會(huì)造成氣缸等錯(cuò)位，需要手動(dòng)調(diào)整復(fù)位，但手動(dòng)復(fù)位的位置往往不夠精確，復(fù)位程序可以自動(dòng)調(diào)整，使其回到初始位置；（8）停止程序，系統(tǒng)工作完成后在初始位置處于等待狀態(tài)，停止程序?qū)⑹蛊溥M(jìn)入停止位置，結(jié)束工作；（9）互鎖程序，為了保護(hù)系統(tǒng)在非正常操作的情況下發(fā)生干涉現(xiàn)象，加入互鎖程序是電路互相制約，避免發(fā)生意外；（10）報(bào)警程序，報(bào)警程序設(shè)置兩種情況下報(bào)警，一是氣缸或某運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作越位或超過時(shí)間而沒歸位，另一種是氣源氣壓過低，無法正常工作。在進(jìn)行具體的編程時(shí)，不一定十個(gè)部分必須都有，但為了設(shè)備及操作人員的安全，安全程序需要設(shè)計(jì)好，以防為企業(yè)造成較大的損失。

１.3PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

在PLC控制的車架翻轉(zhuǎn)工位系統(tǒng)中，需要的硬件分為以下幾類：（1）動(dòng)力部分，電機(jī)、高壓氣源等；（2）控制部分，PLC控制器；（3）執(zhí)行部分，氣缸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)件等。在車架翻轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中，氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)與PLC控制結(jié)合，大大提高了車架翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的靈活性和自動(dòng)化程度，氣動(dòng)控制有反應(yīng)快、速度高的特點(diǎn)，但是在實(shí)際操作中由于氣體易壓縮以及PLC存在較大的I/O相應(yīng)滯后的缺點(diǎn)，往往出現(xiàn)一定量的隨機(jī)誤差，尤其對于定位氣缸來說，其定位精度不高，某種程度上是犧牲了車架的部分質(zhì)量的。為了解決這個(gè)問題，我們利用PLC自身的性能對這個(gè)問題進(jìn)行彌補(bǔ)。

在PLC進(jìn)行工作時(shí)，從定位傳感器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)控制器處理輸出執(zhí)行信號(hào)到信號(hào)得到執(zhí)行有一定的響應(yīng)滯后時(shí)間，這就是I/O響應(yīng)滯后時(shí)間，而這個(gè)響應(yīng)時(shí)間是造成氣缸運(yùn)動(dòng)定位有較大隨機(jī)誤差的關(guān)鍵因素。造成I/O響應(yīng)滯后時(shí)間的因素有3個(gè)，一是，輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間t1，二是，程序執(zhí)行掃描時(shí)間t2，三是，執(zhí)行器反應(yīng)時(shí)間t3，如日本三菱公司FX2系列的PLC控制器，其輸入滯后時(shí)間t1=4ms左右，程序掃描時(shí)間t2=3ms左右，而且程序越長，掃描時(shí)間越長，而執(zhí)行器反應(yīng)時(shí)間為t3=5ms左右，氣缸運(yùn)動(dòng)速度為1500mm/s，其隨機(jī)誤差可達(dá)18mm，而且執(zhí)行程序越長，誤差越大。如果再考慮到氣缸易壓縮和電磁閥的機(jī)械滯后，其誤差更大，這對要求精確定位的系統(tǒng)是不允許的。

為了減少系統(tǒng)自身響應(yīng)時(shí)間造成的誤差，需從縮小輸入響應(yīng)時(shí)間、縮小輸出詳細(xì)時(shí)間和縮小掃描程序時(shí)間3個(gè)方面出發(fā)。首先要縮小PLC的I/O響應(yīng)速度，即在PLC輸入端設(shè)置較多的輸入口，將它們的濾波時(shí)間設(shè)置成最小值50μs，這樣接口的信號(hào)輸入無需等待，大大減小了輸入響應(yīng)時(shí)間；其次縮小輸出反應(yīng)時(shí)間，即放棄傳統(tǒng)的繼電器輸出模式，改為晶體管開關(guān)輸出模式，其響應(yīng)時(shí)間不超過2ms，從而達(dá)到縮小系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的目的；再次縮短程序執(zhí)行掃描時(shí)間，因?yàn)槌绦虻拈L度是不固定的，輸入信號(hào)的時(shí)刻也是不固定的，所以在接受到信號(hào)后再進(jìn)行掃描既影響了I/O的相應(yīng)速度，同時(shí)造成了滯后時(shí)間的不確定，無法進(jìn)行補(bǔ)償，造成了誤差的隨機(jī)性，解決這個(gè)問題的最好辦法是采用中斷技術(shù)，這樣輸入信號(hào)的時(shí)間不會(huì)受掃描時(shí)間的影響，僅需要中斷程序的時(shí)間和執(zhí)行中斷程序的時(shí)間，共0.3ms。經(jīng)過這樣的改造后系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短為2.35ms。

２結(jié)論

本文通過對車架的翻轉(zhuǎn)工位設(shè)計(jì)問題的分析，對基于PLC控制的車架翻轉(zhuǎn)工位在設(shè)計(jì)中面臨的軟件問題和硬件問題進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對這些問題提出了相應(yīng)的解決方案，以期能為車架翻轉(zhuǎn)工位設(shè)計(jì)人員提供一定的借鑒。

［責(zé)任編輯：曹明明］