陳衛(wèi)華 陶 略 毛瑞杰 苑紅濤

(①華晨寶馬汽車(chē)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110143；②東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

伴隨著人們生活水平的不斷提高，帶天窗配置的轎車(chē)越來(lái)越普遍。在轎車(chē)完成裝配進(jìn)行路試時(shí)，天窗異響或漏雨是一類常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷[1]。天窗密封條是實(shí)現(xiàn)天窗防水、防噪功能的關(guān)鍵部件，在現(xiàn)有生產(chǎn)中需要人工將密封條盤(pán)料展開(kāi)后進(jìn)行測(cè)量、下料。由于不同車(chē)型天窗尺寸不一且單件物料長(zhǎng)度較長(zhǎng)不便測(cè)量，人工備料效率與合格率較低。此外，盤(pán)料中的密封條是用金屬連接件互相連接，含有連接件的密封條無(wú)法使用。若操作人員在備料時(shí)未能切除含連接件的料段，在裝配時(shí)就需要重新備料并進(jìn)行返工。因此，對(duì)工人操作水平要求較高。

近年來(lái)研究人員相繼設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出基于PLC、單片機(jī)等控制器的自動(dòng)備料裝置[2-5]。根據(jù)作業(yè)對(duì)象不同，裝置的結(jié)構(gòu)各不相同。吳成江[6]針對(duì)鋁制扁管設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)較直定尺的電氣液壓自動(dòng)下料機(jī)；劉恒珍[7]針對(duì)包裝牙膏、藥膏的軟管設(shè)計(jì)基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的自動(dòng)下料機(jī)；寧海峰[8]介紹氣動(dòng)系統(tǒng)在下料機(jī)切割機(jī)構(gòu)的靈活應(yīng)用。但目前下料機(jī)構(gòu)功能比較單一，具有識(shí)別和拋棄廢料功能的自動(dòng)下料機(jī)尚不多見(jiàn)?；诖耍疚母鶕?jù)汽車(chē)天窗密封條下料工藝需求設(shè)計(jì)可檢測(cè)并拋棄廢料的自動(dòng)下料機(jī)，并利用PLC搭建其控制系統(tǒng)。

1 自動(dòng)下料機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)下料機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)天窗密封條的定長(zhǎng)切割，此外，還要求下料機(jī)能夠?qū)U料，即含連接件的料段實(shí)現(xiàn)識(shí)別和拋棄。為滿足整車(chē)廠總裝車(chē)間混流生產(chǎn)線的要求，自動(dòng)下料機(jī)應(yīng)具備以下功能。

(1)能夠根據(jù)生產(chǎn)線上即將裝配的不同車(chē)型切割不同長(zhǎng)度密封條。

(2)廢料識(shí)別和拋棄。

(3)供料節(jié)拍小于流水線的生產(chǎn)節(jié)拍。

(4)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于料卷更換。

(5)能夠在故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警和急停。

1.2 自動(dòng)下料機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

汽車(chē)天窗密封條結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由橡膠與發(fā)泡海綿粘合而成，為橫截面不規(guī)則的筒狀結(jié)構(gòu)，金屬連接件插入兩條密封條的中孔實(shí)現(xiàn)連接，金屬連接件如圖2所示。

根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計(jì)如下方案：車(chē)型信息在安裝密封條前序工位通過(guò)掃描裝置自動(dòng)錄入至PLC，PLC接收到信號(hào)后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)兩滾輪組成供料機(jī)構(gòu)將密封條輸送至下料機(jī)構(gòu)。當(dāng)達(dá)到當(dāng)前車(chē)型所需長(zhǎng)度時(shí)，停止供料并進(jìn)行下料。當(dāng)檢測(cè)到密封條連接件時(shí)會(huì)提前下料并拋棄。在當(dāng)前料卷余量不足時(shí)，警示燈閃爍提示操作人員更換料卷。所設(shè)計(jì)的天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 自動(dòng)下料機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

由圖3可知，該自動(dòng)下料機(jī)主要由供料裝置、檢測(cè)裝置、下料裝置和棄料裝置組成。

2.1 供料裝置

供料裝置由減速電動(dòng)機(jī)、編碼器、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和導(dǎo)料槽組成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在供料裝置中，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪擠壓密封條。在主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即可利用與密封條接觸面上作用力實(shí)現(xiàn)上料。該作用力受主動(dòng)輪、從動(dòng)輪輪緣間隙大小的影響。之后力傳遞到密封條料卷上帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，因料卷具有一定質(zhì)量，若作用力過(guò)小則不足以帶動(dòng)料卷轉(zhuǎn)動(dòng)，造成物料打滑；作用力過(guò)大會(huì)對(duì)密封條結(jié)構(gòu)造成損壞。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定合適的輪緣間隙為7 mm。

2.2 檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置由檢測(cè)車(chē)輛型號(hào)的條形碼掃描儀和料架上的稱重裝置組成。稱重裝置是利用兩個(gè)單點(diǎn)式稱重傳感器對(duì)稱布置在底板上，分別與底板和料架底座固連，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在無(wú)預(yù)警情況下，從操作人員發(fā)現(xiàn)物料用盡到完成換料、下料耗時(shí)約40 s，進(jìn)行預(yù)警后總時(shí)間會(huì)節(jié)約15 s。為避免車(chē)輛到達(dá)時(shí)未完成下料，在系統(tǒng)中將料卷安全重量設(shè)定為1 kg，稍大于空料卷重量960 g，以此提示進(jìn)行料卷更換。

2.3 下料裝置與棄料裝置

天窗密封條為柔體，其硬度較低，從能源環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，下料裝置和棄料裝置均利用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，分別使用單作用氣缸和無(wú)桿氣缸。單作用氣缸氣動(dòng)回路如圖6所示。

下料裝置由氣源、單作用氣缸、電磁換向閥、限位開(kāi)關(guān)和刀具構(gòu)成，刀具與氣缸活塞桿固連。當(dāng)需要下料時(shí)換向閥得電，氣源對(duì)氣缸無(wú)桿腔充氣，壓縮有桿腔內(nèi)彈簧的同時(shí)推動(dòng)活塞桿和刀具伸出進(jìn)行切割。當(dāng)活塞桿伸出到行程終點(diǎn)時(shí)，限位開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，PLC控制換向閥斷電，氣缸無(wú)桿腔與大氣連通，活塞桿受有桿腔內(nèi)彈簧作用返回原位。

棄料裝置與下料裝置原理相仿，不同之處是使用無(wú)桿氣缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。將氣缸滑塊與無(wú)底面的料筐固連，料筐放置在有缺口的隔板上。當(dāng)需要進(jìn)行棄料時(shí)滑塊帶動(dòng)料筐移動(dòng)至隔板缺口處，廢料掉入下方廢料箱。料筐的移動(dòng)距離由行程開(kāi)關(guān)安裝位置決定，料筐在隔板缺口停留2 s后復(fù)位。下料裝置與棄料裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3 自動(dòng)下料機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)要求

在受到外界擾動(dòng)時(shí)，軟硬件的穩(wěn)定性決定控制系統(tǒng)的魯棒性。系統(tǒng)崩潰會(huì)造成生產(chǎn)波動(dòng)乃至停產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此決定使用穩(wěn)定性高的可編程邏輯控制器(PLC)搭建天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)的控制系統(tǒng)。要求如下：

(1)工作模式選擇?？刂葡到y(tǒng)需要可以在自動(dòng)模式與手動(dòng)模式間切換。自動(dòng)模式用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)下料機(jī)各部件的協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)下料。手動(dòng)模式主要用于維護(hù)或調(diào)試，在自動(dòng)模式發(fā)生故障時(shí)也可由操作人員進(jìn)行手動(dòng)下料。

(2)自動(dòng)下料。能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地向工位提供不同型號(hào)的密封條料段，并實(shí)現(xiàn)廢料拋棄、余料監(jiān)測(cè)等附屬功能。

(3)故障檢測(cè)。能夠檢測(cè)各運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作是否到位，各傳感器狀態(tài)是否正常。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)機(jī)器停止運(yùn)行，警示燈閃爍。

(4)急停。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)按下急停按鈕，機(jī)構(gòu)停止所有動(dòng)作。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)自動(dòng)下料機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速和氣缸行程等參數(shù)要求，系統(tǒng)選用SEW-EURODRIVE DRS系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與減速器，編碼器選用TR-Electronic CEV65M電子編碼器，氣動(dòng)元件選用SMC單作用氣缸(氣缸1)與無(wú)桿氣缸(氣缸2)。

(2)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。氣缸1和氣缸2上分別配置1個(gè)、2個(gè)SMC磁感式行程開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)活塞是否運(yùn)動(dòng)到指定位置。用于監(jiān)測(cè)料卷重量的傳感器選擇Mettler-Toledo單點(diǎn)式稱重傳感器，單個(gè)量程5 kg，通過(guò)模擬量輸出信號(hào)。條碼掃描器選擇Mindeo ES4600嵌入式掃描器，利用RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

(3)控制機(jī)構(gòu)。操作面板上共有5個(gè)按鈕，實(shí)現(xiàn)分型號(hào)供料、自由供料、切割和急停功能，另有2個(gè)選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)啟?？刂坪褪肿詣?dòng)切換。氣缸1、氣缸2分別采用SMC兩位三通、三位五通電磁換向閥進(jìn)行控制。硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖8所示。

根據(jù)上述對(duì)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與硬件選型，天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)控制系統(tǒng)具有11個(gè)輸入點(diǎn)、6個(gè)輸出點(diǎn)、脈沖輸入輸出、AD模塊和RS232通訊接口。系統(tǒng)輸入、輸出分配如表1所示。根據(jù)PLC選型原則，應(yīng)在使用端口的基礎(chǔ)上預(yù)留出相應(yīng)余量。綜上選擇西門(mén)子S7-200-CPU224系列的PLC，其內(nèi)置輸入、輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為24個(gè)、16個(gè)，此外有6個(gè)脈沖輸入端口和2個(gè)脈沖輸出端口，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。AD采集功能通過(guò)西門(mén)子EM231擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。

表1 PLC I/O端口分配

輸入信號(hào)輸出信號(hào)地址注釋地址注釋X0啟動(dòng)/停止按鈕Y0步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖信號(hào)X1手動(dòng)/自動(dòng)切換Y1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向信號(hào)X2急停按鈕Y2氣缸1換向閥X3型號(hào)A供料按鈕Y3氣缸2換向閥左位X4型號(hào)B供料按鈕Y4氣缸2換向閥右位X5自由供料按鈕Y5警示燈X6切割按鈕X7氣缸1行程開(kāi)關(guān)X8氣缸2行程開(kāi)關(guān)1X9氣缸2行程開(kāi)關(guān)2X10連接件傳感器

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

汽車(chē)天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)的動(dòng)作控制流程如下：在每次更換新的密封條料卷后，利用手動(dòng)模式下的供料操作將密封條物料起始端穿過(guò)導(dǎo)料槽夾在兩滾輪之間，之后切換為自動(dòng)模式。當(dāng)生產(chǎn)線上某車(chē)身抵達(dá)安裝密封條前序工位時(shí)，掃描裝置對(duì)車(chē)輛型號(hào)進(jìn)行采集后傳輸至PLC，PLC設(shè)定與該車(chē)型對(duì)應(yīng)的出料長(zhǎng)度，之后驅(qū)動(dòng)供料電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過(guò)與之相連的編碼器采集至PLC，利用從動(dòng)輪半徑和轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算出密封條實(shí)際出料長(zhǎng)度。

當(dāng)實(shí)際出料長(zhǎng)度和該車(chē)型預(yù)設(shè)長(zhǎng)度相等時(shí)，PLC控制供料電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)換向閥換向進(jìn)行切割下料。無(wú)異常情況時(shí)，切下的密封條放置在料筐內(nèi)等待安裝，當(dāng)檢測(cè)到料段含有需要拋棄的連接件或料卷用盡無(wú)法滿足當(dāng)前車(chē)型所需長(zhǎng)度密封條時(shí)，拋棄當(dāng)前料段。自動(dòng)下料機(jī)的控制流程如圖9所示。

4 自動(dòng)下料機(jī)調(diào)試與運(yùn)行

在完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序編寫(xiě)后，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)自動(dòng)下料機(jī)進(jìn)行初步搭建并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。首先對(duì)供料、下料兩項(xiàng)核心功能進(jìn)行性能測(cè)試，之后對(duì)自動(dòng)下料機(jī)投產(chǎn)前后天窗密封條安裝工位的各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。汽車(chē)天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)實(shí)物圖如圖10所示，自動(dòng)下料機(jī)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。投產(chǎn)前后工位生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比如表3所示。

表2 自動(dòng)下料機(jī)性能測(cè)試

供料速度/(m/s)下料時(shí)間/sA型B型數(shù)值0.142631

在實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)混流生產(chǎn)線上A、B種兩車(chē)型所要求的天窗密封條進(jìn)行生產(chǎn)。測(cè)得自動(dòng)下料機(jī)的平均下料速度為0.14 m/s，最長(zhǎng)下料時(shí)間31 s。而車(chē)間流水線線速為63 unit/h，車(chē)輛在工位停留時(shí)間為57 s，因此該自動(dòng)下料機(jī)生產(chǎn)能力充分滿足生產(chǎn)需求。

表3 投產(chǎn)前后工位生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

物料平均成本(RMB/unit)操作人員下料時(shí)間/sA型B型平均總操作時(shí)間/s工作負(fù)荷/(%)合格率/(%)投產(chǎn)前7412145698.294.8投產(chǎn)后72004375.499.6

另由表3可知，操作人員對(duì)兩種車(chē)型所需密封條進(jìn)行手動(dòng)下料平均耗時(shí)13 s，安裝密封條平均耗時(shí)43 s，總操作時(shí)間56 s。取總操作時(shí)間和車(chē)輛在該工位停留時(shí)間的比值為工人工作負(fù)荷，可計(jì)算出在自動(dòng)下料機(jī)投入生產(chǎn)前其工作負(fù)荷為98.2%；投入生產(chǎn)后下料操作在車(chē)輛抵達(dá)前一工位時(shí)開(kāi)始進(jìn)行，省去了操作人員的下料時(shí)間，工作負(fù)荷降至75.4%。由此可得，自動(dòng)下料機(jī)的投產(chǎn)可在工廠產(chǎn)能不變的前提下減少人力投入，若保持勞動(dòng)力投入不變則該工位可以提供更高的產(chǎn)能。

除此之外，采用自動(dòng)下料機(jī)能夠減少在測(cè)量、連接件檢測(cè)等環(huán)節(jié)由于人為因素導(dǎo)致的物料浪費(fèi)，單件平均成本下降3%，產(chǎn)品合格率提升4.8%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的針對(duì)汽車(chē)天窗密封條的自動(dòng)下料機(jī)主要由供料裝置、下料裝置、檢測(cè)裝置和棄料裝置四部分組成，使用PLC進(jìn)行集成控制，能夠自動(dòng)根據(jù)不同車(chē)型生產(chǎn)不同長(zhǎng)度的密封條料段，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)密封條中的金屬連接件并自動(dòng)棄料，有效減少物料浪費(fèi)和操作失誤導(dǎo)致的返工。

通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試可知，自動(dòng)下料機(jī)在滿足生產(chǎn)需求的前提下使操作人員工作負(fù)荷降低22.8%，單件成本節(jié)約3%，產(chǎn)品合格率提升4.8%。同時(shí)部分采用清潔能源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)性高。該設(shè)備現(xiàn)已在整車(chē)廠總裝車(chē)間投入使用，動(dòng)作可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，極大地提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。