張昕

（上海電氣機(jī)床成套工程有限公司，上海 200041）

汽車空濾施膠發(fā)泡自動(dòng)化的控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張昕

（上海電氣機(jī)床成套工程有限公司，上海 200041）

汽車空氣濾芯器施膠、發(fā)泡與固化成型工藝自動(dòng)化，是克服手工方式對(duì)產(chǎn)品工藝質(zhì)量的干擾和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有效手段。介紹了空濾施膠發(fā)泡自動(dòng)生產(chǎn)線，集成了高速機(jī)械手、隨行夾具與輸送系統(tǒng)、多產(chǎn)品混線生產(chǎn)和PU施膠發(fā)泡與固化等多項(xiàng)技術(shù)，其中控制采用主從分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于總線的多軸伺服驅(qū)動(dòng)和主控對(duì)CNC子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法上，應(yīng)用對(duì)象的概念，使主控程序設(shè)計(jì)規(guī)范、易維護(hù)、可移植，并在生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用得到驗(yàn)證。

空濾；施膠發(fā)泡；多軸總線伺服驅(qū)動(dòng)；PLC；GRAPH編程

0 引 言

目前，國內(nèi)的汽車空氣濾芯器PU膠施膠、發(fā)泡與固化成型工藝的實(shí)現(xiàn)，多為半自動(dòng)與手工結(jié)合方式。隨著人力成本的增大，使產(chǎn)品成本的控制變得困難。同時(shí)，手工方式對(duì)產(chǎn)品工藝質(zhì)量的干擾，難以完全排除。實(shí)現(xiàn)空濾PU膠施膠、發(fā)泡與固化成型工藝的自動(dòng)化，是克服上述兩大困難的有效途徑。本文提出的空濾施膠、發(fā)泡與固化成型自動(dòng)化生產(chǎn)方式是設(shè)計(jì)一條空濾施膠發(fā)泡自動(dòng)生產(chǎn)線，由隨行夾具自動(dòng)輸送系統(tǒng)，基于流程自動(dòng)輸送在隨行夾具中的空濾施膠模，進(jìn)入預(yù)開模、開模、下料、噴脫模劑、裝料、PU施膠、合模等工位，自動(dòng)完成空濾PU膠的定量施膠、定壓發(fā)泡與定溫定時(shí)固化成型工藝。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文主要討論生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 控制對(duì)象分析與要求

1．1 生產(chǎn)線組成與工作原理

生產(chǎn)線由九個(gè)部分組成：由施膠機(jī)系統(tǒng)和高速機(jī)械手組成的施膠工作站、上下模自動(dòng)噴脫模劑工作站、開模和合模裝置、模具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、隨行夾具、夾具自動(dòng)輸送系統(tǒng)、固化加熱系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。共有預(yù)開模、開模下料、噴脫模劑、上料、施膠和合模等六個(gè)作業(yè)工位。如圖1所示。其工作原理是，分為上下二層直線步伐式定位輸送線與上下翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成的自動(dòng)輸送系統(tǒng)，輸送隨行夾具，形成夾具中的施膠模在生產(chǎn)線上循環(huán)。輸送系統(tǒng)每輸送一次，停止后，開模下料、噴脫模劑、上料、施膠和合模加壓進(jìn)行并行作業(yè)。輸送時(shí)間與各工位中最大作業(yè)時(shí)間相加形成一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍。

圖1 生產(chǎn)線示意圖

1．2 控制對(duì)象分析

從控制對(duì)象要求考察分析，（1）預(yù)開模是機(jī)械機(jī)構(gòu)，由輸送線移動(dòng)提供動(dòng)力。（2）開模由伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)開模齒輪，與隨行夾具齒輪嚙合，定角度90°打開上下模。（3）噴脫模劑工位分為上下模，二套X／Y平面運(yùn)動(dòng)機(jī)械手，為滿足各種形狀的空濾噴涂，需要CNC輪廓軌跡控制。在這個(gè)工位裝有氣動(dòng)定位插銷機(jī)構(gòu)，保證模具定位準(zhǔn)確。（4）施膠工位由施膠控制系統(tǒng)和施膠三維機(jī)械手組成，施膠控制系統(tǒng)由專業(yè)施膠機(jī)制造商隨機(jī)提供，其控制分為面板操作與外部接口操作。施膠三維機(jī)械手由三軸CNC控制，施膠軌跡為X／Y平面輪廓控制。Z軸控制施膠點(diǎn)、預(yù)施膠點(diǎn)、清洗點(diǎn)的不同高度位置。同樣，在施膠工位裝有氣動(dòng)定位插銷機(jī)構(gòu)，保證模具定位準(zhǔn)確。（5）合模機(jī)構(gòu)包含二個(gè)功能，一是合模，由伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)，合模齒輪與隨行夾具齒輪嚙合，通過隨行夾具關(guān)閉，將上下模閉合。需要定角度180°控制。二是加壓鎖模，由加壓氣缸執(zhí)行。（6）輸送線分為上下兩層采用同樣的伺服定位輸送方式。上下隨行夾具交換由一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)完成。由伺服經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)齒條往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙搖桿上下擺動(dòng)?？紤]到隨行夾具輸送是大慣性快速輸送，在開模、噴脫模劑、施膠、合模等工位以及輸送未端都安裝氣動(dòng)定位檔鐵和緩沖氣缸。生產(chǎn)線氣動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)系統(tǒng)圖

由上述分析可知，整個(gè)系統(tǒng)控制對(duì)象有六個(gè)獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)施膠控制系統(tǒng)、三個(gè)CNC控制系統(tǒng)，16組氣閥和烘道溫控系統(tǒng)。其中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SINAMICSS120，伺服電機(jī)參數(shù)分別為開模、合摸：4．7 Nm、3 000 r／min，上下輸送：15．5 Nm、3 000 r／min，上下翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7．3 Nm、3 000 r／min，機(jī)械手CNC控制系統(tǒng)為FANUC 0i MD－mate

1．3 控制要求

（1）適合產(chǎn)品模具型式：矩形、梯形、三角形、圓形等；

（2）為滿足生產(chǎn)節(jié)拍：夾具輸送最大速度18m／min；噴脫模劑、施膠最大進(jìn)給速度20 m／min；

（3）烘道溫度：50±5℃

（4）滿足多品種產(chǎn)品混線生產(chǎn)的在線模具識(shí)別；

（5）操作模式分為自動(dòng)循環(huán)、單工位運(yùn)行、手動(dòng)調(diào)整四種模式；

（6）具有運(yùn)行參數(shù)編輯與運(yùn)行信息監(jiān)控；

（7）安全互鎖。

1．4 控制流程

前面在簡述生產(chǎn)線原理時(shí)，已涉及生產(chǎn)線的流程描述。圖3是生產(chǎn)線控制流程框圖。從圖中可知，生產(chǎn)運(yùn)行初始條件是準(zhǔn)備好信號(hào)。其包括測試所有被控對(duì)象都處于正常狀態(tài)，且位置符合設(shè)定的初始位置。當(dāng)操作方式處于自動(dòng)循環(huán)時(shí)，按圖3流程執(zhí)行。流程的控制由程序按系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

圖3 生產(chǎn)線控制流程框圖

2 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主控制器選型

根據(jù)上述對(duì)控制對(duì)象分析，按照控制要求與流程，確定控制結(jié)構(gòu)為主從分布結(jié)構(gòu)。目的是通過分布式控制，將具有獨(dú)立控制功能的工位，分為若干子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都能按照子系統(tǒng)的控制要求運(yùn)行。這樣，使主控系統(tǒng)相對(duì)變得簡單。根據(jù)主控功能，選用具有Profibus現(xiàn)場總線『1』功能的SIMATIC S7－313C－2DP PLC作為主控器，其直接控制輸送系統(tǒng)的定位輸送、開合模、安全保護(hù)、烘道溫度、模具識(shí)別及其他輔助控制。施膠三軸機(jī)械手CNC系統(tǒng)、噴脫模劑二軸CNC系統(tǒng)作為子控制系統(tǒng)，其運(yùn)行控制、程序調(diào)用將接受主控系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)控制。其中施膠控制系統(tǒng)又作為施膠機(jī)械手CNC控制的子系統(tǒng)，其配方程序調(diào)用，施膠命令，由機(jī)械手CNC程序控制。圖4是控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

從圖中可見，主控PLC與多軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、RFID模具識(shí)別系統(tǒng)、OP屏、分布式I／O模塊都是基于Profibus總線網(wǎng)絡(luò)接口連接，合計(jì)7個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)。主控與施膠機(jī)械手、噴脫模劑CNC子系統(tǒng)采用I／O連接。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

主控制系統(tǒng)基于S7－300的PLC平臺(tái)，其提供了比較豐富的編程手段［2］。

一個(gè)規(guī)范的程序設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)程序運(yùn)行的可靠性，可維護(hù)性是重要的。所以，本控制程序設(shè)計(jì)作了如下規(guī)定：

（1）對(duì)于同樣控制功能的對(duì)象創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的功能塊FB；

（2）對(duì)于一個(gè)工位創(chuàng)建一個(gè)功能FC；

（3）控制流程采用GRAPH編程。

對(duì)于主控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)最主要是四個(gè)部分，一是實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，二是對(duì)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，三是控制流程程序設(shè)計(jì)。四是人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)。

3．1 實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是基于總線網(wǎng)絡(luò)多軸控制。主控PLC與伺服控制單元CU320是通過建立總線通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。一個(gè)CU320具有6個(gè)伺服軸控制能力。其組態(tài)方法按文獻(xiàn)［3］，本文不再贅述。其中軸的通訊報(bào)文設(shè)置為110，如圖5所示。

圖5 報(bào)文設(shè)置

報(bào)文格式的設(shè)定，使PLC與伺服驅(qū)動(dòng)通訊的數(shù)據(jù)定義得到確定。讀有7個(gè)字節(jié)，包含伺服系統(tǒng)基本狀態(tài)信息，如位置、速度、報(bào)警等，寫有12個(gè)字節(jié)包含對(duì)伺服操作控制，操作運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定等。使用系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，并將數(shù)據(jù)映射數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊采用UDT［4］定義數(shù)據(jù)類型，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義。為了在PLC程序能直觀地對(duì)多軸伺服系統(tǒng)，按照控制流程進(jìn)行控制操作，可設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB，命名為AXIS＿control，這個(gè)塊包含了PLC對(duì)伺服操作接口和邏輯處理與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。程序中對(duì)各軸控制用多實(shí)例方法，進(jìn)行調(diào)用。下面是本設(shè)計(jì)中對(duì)上輸送驅(qū)動(dòng)軸控制調(diào)用AXIS＿control塊時(shí)舉例程序。

從AXIS＿control塊可以看到，在塊的輸入接口上，指令位置、速度、速度倍率、加減速倍率等數(shù)據(jù)可在連接的數(shù)據(jù)塊地址中賦值和對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行操作。同時(shí)可以從塊的輸出接口連接的數(shù)據(jù)塊地址中讀取伺服運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。六個(gè)軸做六個(gè)實(shí)例，作為主控流程控制程序的對(duì)象，使主控程序設(shè)計(jì)變得方便。

3．2 對(duì)子系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)本身都具有獨(dú)立控制運(yùn)行功能。本系統(tǒng)中三個(gè)主要子系統(tǒng)是三個(gè)機(jī)械手CNC控制系統(tǒng)。顯然，從主系統(tǒng)流程控制角度，可以看作一個(gè)控制對(duì)象。要關(guān)注的是，如何控制授權(quán)、按照指定NC程序運(yùn)行以及監(jiān)控與主線控制相關(guān)的狀態(tài)。據(jù)此，定義的接口如表一所示。

表1 接口定義表

其控制邏輯順序是，發(fā)出系統(tǒng)連接，鎖定CNC本地操作，檢測CNC準(zhǔn)備好信號(hào)，讀取RFID處理器鎖存的當(dāng)前產(chǎn)品NC程序號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器譯碼，并行送入NC I／O輸入端，發(fā)出程序選通信號(hào)后，接受選通應(yīng)答，啟動(dòng)NC運(yùn)行。同樣可以創(chuàng)建一個(gè)功能塊，每個(gè)子系統(tǒng)用實(shí)例調(diào)用。

3．3 控制流程程序設(shè)計(jì)

控制流程設(shè)計(jì)采用GRAPH圖形語言編程［5］，按系統(tǒng)流程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)控制。圖6是上輸送驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)控制流程中GRAPH圖形語言。從圖中可見，使用GRAPH圖形語言可直觀按流程編寫。按流程節(jié)點(diǎn)對(duì)控制對(duì)象發(fā)出命令，然后等待對(duì)象運(yùn)行結(jié)果的回答。圖中的第一步向輸送線發(fā)出最后一擋鐵復(fù)位命令，復(fù)位響應(yīng)和在上輸送伺服系統(tǒng)狀態(tài)都滿足條件時(shí)，發(fā)出定位數(shù)據(jù)傳送指令，當(dāng)讀到伺服系統(tǒng)已收到定位數(shù)據(jù)后，向伺服系統(tǒng)發(fā)出送料命令。對(duì)象收到命令后，按對(duì)象控制邏輯進(jìn)行控制。流程控制系統(tǒng)等待對(duì)象的回答。整個(gè)系統(tǒng)可按圖3流程圖可以方便地編寫系統(tǒng)控制流程程序。

圖6 上輸送流程控制GRAPH程序

3．4 人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)

人機(jī)操作界面包含了系統(tǒng)信息與報(bào)警記錄顯示、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定與系統(tǒng)操作。其由西門子MP277 10吋OP屏與操作按鈕組成。使用WinCC flexible軟件編輯畫面和設(shè)定變量［6］。根據(jù)本系統(tǒng)的操作方式，分為自動(dòng)循環(huán)、單工位運(yùn)行控制、手動(dòng)調(diào)整四種模式。當(dāng)選擇不同操作方式時(shí)屏幕自動(dòng)切換。在手動(dòng)調(diào)整時(shí)，輸入口令，可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面。參數(shù)包含了所有系統(tǒng)操作參數(shù)，如各軸定位的位置、速度、加減速、倍率等。系統(tǒng)信息除了系統(tǒng)狀態(tài)信息外，還包含了生產(chǎn)記錄，如當(dāng)班產(chǎn)量與累計(jì)產(chǎn)量，開機(jī)時(shí)間與加工運(yùn)行時(shí)間等。

4 結(jié)束語

汽車空氣濾芯器施膠、發(fā)泡與固化成型工藝自動(dòng)化，是克服手工方式對(duì)產(chǎn)品工藝質(zhì)量的干擾和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有效手段。PU空濾芯自動(dòng)施膠生產(chǎn)線，有效解決了汽車空濾施膠工藝的自動(dòng)化，在多家工廠使用中，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)目標(biāo)。生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)硬件選型、控制結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)方法保證了生產(chǎn)線的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在主控系統(tǒng)編程中應(yīng)用對(duì)象概念，使編程變得規(guī)范，增強(qiáng)可維護(hù)、可移植。

［1］吉順平，孫承志，等編著西門子現(xiàn)場總線通信原理與應(yīng)用［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．8．

［2］廖常初編S7－300／400 PLC應(yīng)用［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．12

［3］SIEMENS：SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)功能手冊（FH1），01／2013）［K／OL］．http：／／www．a(chǎn)d．siemens．com．

［4］Hans Berger著張同莊等譯西門子S7－300／400PLC編程［M］．北京：人民郵電出版社，2008．4．

［5］SIEMENS：S7－GRAPH編程［K／OL］．SIEMENS網(wǎng)站全球技術(shù)資源庫http：／／www．a(chǎn)d．siemens．com．

［6］西門子編委會(huì)．深入淺出西門子人機(jī)界面［M］．北京：航空航天大學(xué)出版社，2009．4．

Design and Realization of Automation for Gluing and Foam ing of Automobile Air Filters

ZHANG Xin
（Shanghai Electric Machine Tool＆Engineering Co．，Ltd．，Shanghai200041，China）

Automation of gluing，foaming and curing processes for automobile air filters is an effective means for overcoming interference of manual operation in product quality and raising labor productivity．This paper presents an automatic production line for gluing and foaming of air filters integrating such techniques as high-speed manipulator，traveling fixture and transport system，multi-product mixed routing production，and PU gluing，foaming and curing．Control of a distributed master-slave structure is adopted to realize bus-based multi-spindle servo drive as well as coordinated control of the CNC sub system by master control．Object conception is used in the design and realization of the control system to achieve a standard，maintainable and transplantable the master control program，and the system is verified in actual application on the production line．

air filter；gluing and foaming；multi-spindle bus servo drive；PLC；GRAPH programming

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．024

TP273

A

1000－3886（2014）04－0070－04

張昕（1957－），男，上海人，高級(jí)工程師，專業(yè)：機(jī)電一體化裝備控制設(shè)計(jì)與開發(fā)。

定稿日期：2014－05－29