三元催化器GBD封裝設備控制系統(tǒng)設計

蔣玲1，張超2

(1.蕪湖職業(yè)技術學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241006；2.佛吉亞排氣控制技術開發(fā)(上海)有限公司，上海 201107)

摘要：三元催化器GBD封裝設備是根據(jù)企業(yè)的要求和市場需要專門研制的用于汽車三元催化器中襯墊包裹、載體裝配及整體收縮的一種自動封裝設備。該設備是由控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成的，采用歐姆龍PLC、時光伺服系統(tǒng)、傳感器等元器件、Proface觸摸屏和日本SMC的氣動元件來實現(xiàn)三元催化器的自動化封裝。三元催化器GBD封裝設備從投產(chǎn)以來，工作可靠，運行穩(wěn)定，較好地完成三元催化器的GBD封裝，完全能滿足生產(chǎn)工藝的要求。

關鍵詞：三元催化器；GBD封裝設備；氣動系統(tǒng)；可編程序控制器

作者簡介：蔣玲(1974-)，女，安徽桐城人，講師，從事PLC及自動控制方面的教學和研究工作。

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A

收稿日期：2014-12-20

基金項目：陜西省教育廳自然科學專項

0引言

隨著環(huán)保意識的日益增強，人們對汽車尾氣排放要求的標準也不斷提高，越來越多的汽車在排氣系統(tǒng)中安裝了氣體凈化裝置。由于它安裝在發(fā)動機排氣管中，將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等三種主要有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮氣，故稱之為三元催化器[1-3]。隨著科技的進步，人力資源成本的上升，制造行業(yè)對設備的自動化程度要求日益提高，以求提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。三元催化器GBD封裝設備在此要求下開發(fā)設計，主要用于汽車三元催化器中襯墊包裹、載體裝配及整體收縮，該設計已獲得發(fā)明專利(專利號201010280137.9)[4]，本文闡述其控制系統(tǒng)的設計。

1工作原理及組成

三元催化器GBD封裝設備由載體包裹壓裝機、整體收縮機、外徑測量系統(tǒng)、自動標識系統(tǒng)、各設備間的運輸連接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[4]。壓裝機由筒體安放支撐定位機構；載體、襯墊包裹體的導向壓縮機構；以及伺服絲桿驅(qū)動機構組成。整體收縮機由15KW的伺服電機帶動主齒輪轉(zhuǎn)動，從齒輪通過與主齒輪的齒合運動帶動絲桿運動，絲桿帶動12塊楔型模機構移動，最終使筒體進行收縮，滿足產(chǎn)品要求。收縮的最終位置由計算機實時計算給出。在載體、襯墊包裹前，掃描載體和襯墊的二維碼使計算機獲取載體的外徑和襯墊的重量等信息。計算機獲取該信息后，通過內(nèi)部設定的程序計算出筒體收縮后的直徑。通過與PLC的數(shù)據(jù)交換控制整體收縮機的伺服電機的運動，最終實現(xiàn)對三元催化器筒體外徑的控制。測量系統(tǒng)由基恩士的激光傳感器配合時光伺服在線檢測完成。自動標識系統(tǒng)由啟動支撐機構、氣動夾持機構和氣動打標機構成。物料在各工位移動時由伺服電機驅(qū)動絲桿機構實現(xiàn)。

2氣動系統(tǒng)的設計

三元催化器GBD封裝設備的氣動系統(tǒng)主要實現(xiàn)壓裝機的載體壓縮導向機構與筒體間的壓合與松開、載體導向機構到位后的定位鎖緊和后退時的定位銷的松開。筒體輸送到收縮機中的兩夾爪氣缸的夾緊和松開；標識系統(tǒng)中的刻字支撐定位、筒體的夾持與松開，刻字機的前進與后退，以及將刻好標識的產(chǎn)品推到運輸帶上的推到機構。氣動原理如圖1所示。

圖1氣動原理圖

3控制系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)硬件設計

PLC系統(tǒng)設計包括控制方案和PLC選型。設計選型的主要依據(jù)是根據(jù)工藝流程的特點和實際應用要求。明確控制任務和范圍以確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入/輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)[5-7]。

圖2收縮伺服電機控制系統(tǒng)電路圖

在該系統(tǒng)中，由于要用PLC控制伺服電機，控制部分采用歐姆龍PLC，型號為CJ1M-CPU12-ENT，通訊模塊型號為SCU41-V1，輸入模塊為1臺ID231和1臺ID261，輸出模塊為1臺OD231和1臺OD261，PLC 電源為PA205R。動力系統(tǒng)選用時光科技的伺服系統(tǒng)，該伺服系統(tǒng)是航天科技的國產(chǎn)優(yōu)秀伺服系統(tǒng)，具有小容量高轉(zhuǎn)矩的特性，內(nèi)置開發(fā)芯片，可實現(xiàn)自編程運行功能；收縮電機選用時光伺服電機AC400V 15KW，伺服控制器型號為IMS-GCT4015SHL。壓入電機和輸送電機均選用時光伺服電機AC400V 400W，伺服控制器型號為IMS-GCT40P4SHL；開關電源型號為S-100-DC24。

在系統(tǒng)中，PLC是控制系統(tǒng)的核心，各種開關量都與PLC的輸入端相連，PLC輸出端主要與要控制的電磁閥、接觸器、報警信號等相連。各種邏輯控制全部在PLC內(nèi)部實現(xiàn)，工作過程能在觸摸屏上動態(tài)顯示[8-9]。收縮伺服電機控制系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

控制程序是三元催化器GBD封裝設備控制系統(tǒng)設計的核心，三元催化器GBD封裝設備使用性能和操作方便性與程序設計的好壞有關，同時要盡可能縮短程序的運行時間，以提高工作效率[9]。該設備控制程序由程序手動操作程序、自動操作程序、原點回歸等構成。

設備通電、通氣后先在手動狀態(tài)下進行一次原點回歸。一般情況下設備的參數(shù)都已經(jīng)設好，如無必要不需對設備進行調(diào)整。手/自動選擇開關應置于自動檔，操作員首先將工件放入后，雙手啟動，設備進入自動運行狀態(tài)。

自動運行的順序是：1襯墊壓裝工位移動氣缸前移頂住載體→2定位氣缸上升定位→3襯墊壓入電機自動壓裝→4伺服和氣缸自動回原→5輸送電機送料→6同步電機移動至取料位→7三爪氣缸張開接料→8同步電機送入收縮腔體→9收縮電機進行預收縮操作→10三爪氣缸松開→11收縮電機終收縮→12三爪氣缸打開夾持→13收縮電機退回至待機點→14同步電機取出至接料點→15提升氣缸下降→16夾持氣缸閉合夾住載體→17提升氣缸上升→18取出電機移動至刻字工位(期間自動進行筒體外徑的測量)→19取出電機移動至出料點→20提升電機下降→21刻字工位的夾料氣缸夾持→22刻字缸定位后刻字→23刻字完成后托料氣缸上升接料→24刻字工位的夾料缸回原→25刻字工位的托料缸下降→26刻字工位卸料缸運行→27輸送帶運行→28完成。限于篇幅，僅列出部分梯形圖程序，如圖3所示。

圖3　部分梯形圖程序

自動運行中如果按下急停或設備發(fā)生故障，應及時觀察。確定無危險后將選擇開關置于手動檔，按復位按鈕設備自動回原位。到達原位后原位指示燈常亮提示復位結束設備正常。

手動程序主要是在設備調(diào)試和維修過程中使用，便于單步操作設備。采用PLC進行控制，控制系統(tǒng)的更改非常靈活方便，簡化了硬件系統(tǒng)結構，控制系統(tǒng)接線變得簡單快捷。PLC模塊布置圖如圖4所示。

圖4　PLC模塊布置圖

4觸摸屏界面的設計

觸摸屏的界面的設計采用proface的GP-pro EX2.1編程軟件實現(xiàn)。

4.1主界面設計

主界面如圖5所示

圖5　主界面

氣缸原位：表示所有氣缸到達原位,指示燈亮。伺服原位：表示所有伺服電機到達原位,指示燈亮。調(diào)試按鈕強制：選擇操作狀態(tài)的模式，可實現(xiàn)單步操作還是自動操作，如果是顯示正常模式下，單擊步進操作按鈕就可以實現(xiàn)步進操作，切換至強制模式下，按下啟動按鈕即可啟動設備。注油：手動注油功能，點擊后手動對收縮機構進行加油，再次點擊后可關閉。建議開機前注油10秒，給予傳動機構足夠的潤滑?？套止δ埽嚎套止δ艿氖褂门c否，點擊切換。壓裝功能：壓裝功能的使用與否，點擊使用壓裝功能，然后按下啟動后，只可進行壓裝，不會輸送至收縮機構進行收縮。步進操作：是在自動狀態(tài)下模擬自動運行。但首次必須是按下啟動按鈕，后續(xù)動作按一下單步，設備按預定程序走一步，直至運行完一輪即設備回到原位。其作用是便于操作者進行設備調(diào)試。良品數(shù)：右部的數(shù)字表示已加工的良品數(shù)量。不良品數(shù)：右部的數(shù)字表示已加工的不良品數(shù)量。清零：對良品數(shù)和不良品數(shù)進行清零操作。關閉：退出此畫面，退回至畫面選擇。

4.2選擇界面

選擇界面如圖6所示。

圖6　選擇界面

上面兩個界面可以根據(jù)上下箭頭相互切換。

4.3氣缸手動操作界面

氣缸手動操作界面如圖7所示。

此界面主要是對襯墊壓入工序定位氣缸的手動操作。

圖7　氣缸手動操作界面

左推氣缸：對左推氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。左推定位氣缸：對左推定位氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。右推氣缸：對右推氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。右推定位氣缸：對右推定位氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。1#三爪氣缸：對1號同步電機上的三爪氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。2#三爪氣缸：對2號同步電機上的氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。夾持氣缸：對取出電機上的夾持氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。提升氣缸：對取出電機上的提示氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。(該氣缸是點動式，其他都位切換式)

4.4伺服手動操作界面

伺服手動操作界面如圖8所示。

圖8　伺服手動操作界面

此界面是對收縮、襯墊壓入電機進行的點動操作。

收縮/松開：對收縮電機進行點動操作；后面的數(shù)據(jù)對應其位置數(shù)據(jù)。壓入/退出：對2個襯墊壓入電機進行操作；后面的數(shù)據(jù)對應其位置數(shù)據(jù)。速度設定：對當前的3個電機進行點動速度設定操作；具體畫面請參見后面的說明。手動同步開關：對2號同步電機進行手動同步運行，在自動的情況下此開關必須關閉。

4.5原點復位界面

原點復位界面如圖9所示。

此畫面對9個伺服電機進行手動原點復位操作，后面的文本表示其原點復位的完成情況。

圖9　原點復位界面

4.6刻字界面

刻字界面如圖10所示。

圖10　刻字界面

夾料氣缸：對左右夾料氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器?？套謿飧祝簩套侄ㄎ粴飧走M行操作；后面的指示燈對應其傳感器。托料氣缸：對托料氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。卸料氣缸：對卸料氣缸進行操作；后面的指示燈對應其傳感器。刻字：對刻字機進行手動操作，需注意點擊一次后，必須等待刻字機一個動作周期的完成，然后才可點擊第二次，不然刻字機會中斷當前刻字，需要上位機進行軟件復位操作。輸送帶：輸送帶的手動操作，點擊切換輸送線啟停功能。

4.7伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面

伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面如圖11所示。

圖11　伺服軸的定位數(shù)據(jù)界面

此界面主要是收縮伺服自動定位所需的定位速度數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。其中地址1～地址5表明收縮電機定位點的數(shù)量。其他界面功能等同，在此不詳細介紹。

5結語

三元催化器GBD封裝設備根據(jù)客戶的要求進行設計制作的，本設備采用機、電、氣一體化設計、氣動部分采用日本SMC的氣動控制元件，電氣控制系統(tǒng)由OMRON PLC中端系列CJ1M-ENT PLC控制器配合SCU41串口通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步更新；動力系統(tǒng)選用時光科技的伺服系統(tǒng)；上位機主要有研華工控機通過以太網(wǎng)對下層的PLC進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的交換；測量系統(tǒng)由基恩士的激光傳感器配合時光伺服在線檢測及判別合格與否，然后進行刻字打標完成。設備具有手動、自動、故障報警和顯示等功能。具有完全自主的知識產(chǎn)權，在現(xiàn)場生產(chǎn)中設備運行穩(wěn)定可靠，控制精度較高，完全滿足汽車凈化器的封裝要求。利用PLC進行控制，提升了控制系統(tǒng)的可靠性，通過觸摸屏進行人機對話，方便了操作，提高了凈化器封裝的自動化水平[9]。設備間的物料輸送通過伺服電機帶動絲桿機構進行，減少了人員配置，降低了操作工的勞動強度，生產(chǎn)效率由原先的70%提升到85%。

參考文獻

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[責任編輯、校對：郝杰]

Design of GBD Packaging Equipment Control System for

Three-Way Catalyst

JIANGLing1,ZHANGChao2

(1.Department of Electrical Engineering, Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241006, China;

2.Faurecia Exhaust Control Technology Development (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201107, China)

Abstract：To meet the needs of the enterprise and market development, three-way catalyst GBD packaging equipment is a kind of automatic encapsulating device specially designed for the liner packing, carrier assembly, and overall contraction of automobile three-way catalyst. It consists of control system, pneumatic system and mechanical system. It employs the OMRON PLC, servo system, sensor components and Proface of human-machine interface and SMC pneumatic components researched and developed by Japan to control automatic encapsulating car three-way catalyst process. The machine has been working stably since its production, suitable for encapsulating the Car Purifier. The Automatic GBD packaging equipment of Three-way Catalyst can fully meet the requirements of production process.

Key words：three-way catalyst (TWC); GBD encapsulation equipment; pneumatic system; PLC