肖成軍，鐘小華，李 林，徐志偉，羅海龍

（1.廣東白云學院機電工程學院，廣州510450；2.廣州宇昊機電設備有限公司，廣州510800）

橡膠密封條作為汽車車身附屬系統(tǒng)的一部分，兼有功能性和裝飾性，被廣泛應用于乘用車，其生產過程主要包括：橡膠的擠出、成型和硫化等前處理階段，以及定長裁斷的后加工階段[1-4]。橡膠密封條的定長裁斷精度將直接影響密封條的質量，現在常用的裁斷機存在連續(xù)生產過程中密封條裁斷困難、裁切長度不準確、實時調試繁瑣費時的缺陷[5]，因此有必要開展汽車密封條在線精密裁斷機控制系統(tǒng)的研究，本文在分析了裁斷機機械結構和工作過程的基礎上，基于三菱PLC和觸摸屏設計了裁斷機控制系統(tǒng)，實現高精度、高效率的自動化連續(xù)生產。

1 汽車密封條在線精密裁斷機概述

汽車密封條在線精密裁斷機的機械結構主要包括進料緩存區(qū)、進料牽引機、裁斷裝置、出料輸送帶、長度設定裝置，如圖1所示。進料緩存區(qū)布置于橡膠生產線與牽引機之間，利用滾輪和密封條自重下垂實現橡膠連續(xù)進料的緩存，設置了高、中、低3個物料感應傳感器，用于判斷當前物料的充裕情況，自動匹配生產線的速度。進料牽引機由伺服電機驅動多楔帶，形成夾持式的牽引裝置，設計有導向機構，保證進料的平穩(wěn)與精準。裁斷裝置由裁刀、裁刀進給系統(tǒng)、物料夾緊氣缸、吸塵器、安全護罩組成，三相異步電機通過同步帶驅動裁刀，通過步進電機驅動滾珠絲杠螺母副實現裁刀升降，夾緊氣缸用于保證密封條裁斷時的位置固定。出料輸送帶通過變頻器可實現調速，在側方安裝有推料氣缸，合格品通過推料氣缸下料，不合格品在出料輸送帶尾端進入廢品框。長度設定裝置主要包括檢測單元和直線滑臺模組，檢測單元包括3組光纖傳感器，從右至左，依次用于減速位傳感器、裁斷位傳感器和偏差檢測傳感器。檢測單元安裝于直線滑臺上，通過程序可設定密封條長度以自動確定檢測單位的位置。在裁刀正下方的裁斷處安裝有光纖傳感器，作為密封條計長的“長度零位”，通過機械安裝保證“長度零位”與“直線滑臺原點”保持固定的距離。

圖1 汽車密封條精密裁斷機的機械結構示意圖

2 裁斷機控制系統(tǒng)的硬件設計

2.1 控制系統(tǒng)的硬件結構

控制系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示，以PLC作為控制系統(tǒng)的核心，觸摸屏作為人機交互界面，用于進行裁斷機的相關參數設置和工作過程的顯示[6]；PLC接收光纖傳感器信號、安全報警信號及按鈕信號；PLC根據控制流程對進料牽引電機、出料輸送電機、長度控制電機、裁刀進給電機、裁刀電機、吸塵器電機、夾緊氣缸、推料氣缸進行控制。主控PLC配備了模擬量輸出模塊，用于進料牽引伺服電機的無級調速，實現平穩(wěn)連續(xù)進料；利用模擬量輸出模塊和變頻器實現出料輸送電機的平滑連續(xù)調速；長度控制和裁刀進給則采用步進電機驅動的方式。

圖2 控制系統(tǒng)結構框圖

2.2 控制系統(tǒng)的硬件選型設計

控制系統(tǒng)的PLC選取三菱FX3U-48MT/ES（-A）型號，為晶體管輸出型，有48個輸入輸出口，其中Y0-Y2為高速脈沖輸出口；模擬量輸出模塊選取三菱FX2N-2DA模塊，帶2個輸出通道；觸摸屏選取昆侖通態(tài)的TPC1061Ti；進料傳感器選取歐姆龍光電開關；長度零位及定長控制傳感器采用歐姆龍光纖傳感器，其檢測靈敏度及抗干擾性較好；進料牽引電機采用松下MCDHT3520通用型伺服驅動器及其對應伺服電機，具有響應速度快，精度高，過載特性好的優(yōu)點；出料輸送電機為三相鼠籠式電機，采用三菱FR-E700系列經濟型高性能變頻器進行調速控制；裁刀進給電機和長度設定電機選用雷賽HS系列步進電機。

3 裁斷機控制系統(tǒng)的軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)流程圖

密封條在線精密裁斷的工藝流程為生產準備、牽引進料、裁斷作業(yè)、分揀出料?？刂葡到y(tǒng)自動運行流程圖如圖3所示。在開始前，調整進料牽引機構上下夾板的高度以適應密封條的進料，并將裁斷裝置的護罩關閉，做好相關運行準備。上電后，在觸摸屏完成運行參數的設定，之后執(zhí)行自動回原點程序；當設備處于原點位置狀態(tài)，觸發(fā)自動運行啟動的信號，出料輸送帶及進料牽引機運行，根據進料緩存區(qū)物料的情況，自動匹配運行速度實現平穩(wěn)的進料；當密封條首段觸發(fā)減速位傳感器，出料輸送帶及進料牽引機切換為低速運行；當繼續(xù)進料觸發(fā)裁斷位傳感器，出料輸送機進料牽引立即停止；夾緊氣缸固定密封條，裁刀啟動并進給裁斷；之后，夾緊氣缸與裁刀復位，出料輸送帶動作，并由推料氣缸將合格品分揀。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

3.2 I/O地址分配表

PLC的I/O地址分配如下表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.3 PLC主要程序的設計

該控制系統(tǒng)具有手動操作、自動回原點、單周期運行、自動運行四種工作方式。對于具有多種工作模式的三菱PLC控制系統(tǒng)，常采用狀態(tài)初始化指令IST和步進指令STL相結合進行編程，可以有效簡化程序設計工作[7-8]，本控制系統(tǒng)主要包含如下程序模塊。

（1）初始化程序。設計了初始狀態(tài)和原點位置條件：“長度零位”傳感器觸發(fā)、裁刀上限位觸發(fā)、推料收回位觸發(fā)、裁刀護罩限位觸發(fā)、夾緊氣缸收回、進料高位光眼未觸發(fā)。

（2）手動控制程序。為了便于維護與調試，設計了對各個部件進行獨立操作，包括進料牽引機、裁刀進給、直線滑臺的點動，裁刀和出料輸送帶的啟停，氣缸的控制等。設計了密封條長度設定程序，通過觸摸屏輸入長度數值，即可驅動直線滑臺達到設定的位置。為了安全操作，程序中須設置必要的互鎖與聯鎖。

（3）回原點控制程序。設計了牽引機回原點程序：進料牽引機夾持密封條先快速進料，第一次觸發(fā)“長度零位”傳感器，牽引機反轉一段距離，再慢速正轉，當第二次觸發(fā)“長度零位”傳感器即停機，回原點完成。設計裁刀自動回“裁刀上限位”的原點；對相關原點位置條件的PLC輸出點復位。

（4）自動控制程序。1）自動牽引進料：由進料牽引機和出料輸送帶保持一定的速度偏差實現連續(xù)平穩(wěn)上料，須保證出料輸送帶的速度大于進料牽引機的速度，并且通過檢測進料緩存區(qū)高、中、低位光眼狀態(tài)來調整運行速度，當進料高位光眼（X017）被觸發(fā)時，表明當前物料供不應求，牽引機停止進料；當進料低位光眼（X021）被觸發(fā)時，表明當前物料充裕，牽引機應高速進料；當進料中位光眼（X020）被觸發(fā)，牽引機保持正常速度進料。對FX2N-2DA模塊的編程，輸出電壓模擬量對伺服電機和變頻器進行連續(xù)平滑的調速[6]。2）密封條長度測定：密封條的首端從長度零位傳感器處（X014）開始計長，當觸發(fā)減速位傳感器（X015）則開始慢速進料，繼而觸發(fā)裁斷位傳感器（X016）則停止進料，表明計長進料完成。然后，夾緊氣缸動作，將密封條固定。3）裁斷作業(yè)：裁刀電機啟動，同時，裁刀進給系統(tǒng)帶動裁刀部件下降，直至下限位。下降到下限位后，裁刀電機停機。然后，夾緊氣缸收縮，裁刀進給系統(tǒng)帶動裁刀部件上升，直至上限位。4）分揀出料：出料輸送帶慢速運行，密封條首端觸發(fā)長度檢測傳感器（X007），并記錄觸發(fā)所用的時間T，以此判斷該裁斷后的密封條的偏差是否合格。密封條若為合格品則推料氣缸動作，否則出料輸送帶快速運行，在尾端進入廢料框。

4 加工試驗與分析

密封條精密裁斷機如圖4所示，加工試驗選用某車型前門門框密封條，材質為密實型EPDM橡膠，基準長度811 mm，允許誤差范圍為±2 mm.設定裁斷機高速位運行速度為35 m/min，中速位運行速度為22 m/min，減速區(qū)速度為3.5 m/min，減速區(qū)長度為100 mm，連續(xù)裁切10條，測量密封條的實際長度，并檢查斷面是否整齊。長度測量的方法為：將密封條平鋪在檢驗臺上，利用直尺測量密封條端面的周向2個不同對應位置的長度，然后把兩個長度值加和取平均值，保留小數點后面1位，得到實際長度的數據，記錄如表2所示。通過試驗可以看出全部密封條的誤差長度均小于±2 mm，裁切斷面平整，滿足工藝要求。裁斷機加工穩(wěn)定，控制系統(tǒng)控制效果良好。

圖4 密封條精密裁斷機

表2 加工試驗結果

5 結論

汽車密封條在線精密裁斷機控制系統(tǒng)以三菱FX3U系列PLC作為主控制器，通過檢測入料緩存區(qū)三個傳感器的狀態(tài)，利用FX2N-2DA模擬量單元實現進料牽引伺服電機和出料輸送帶的高、中、低速自動匹配調速控制，保證平穩(wěn)進料；定長控制裝置設有減速位、裁斷位和偏差檢測傳感器，實現精確定長裁斷和成品分揀；以昆侖通態(tài)觸摸屏作為人機交互界面，實現參數設置和生產過程監(jiān)控。該控制系統(tǒng)具有手動、自動回原點、單周期運行、自動運行四種工作模式，可實現設定裁斷長度、自動匹配產線速度、故障報警等功能。裁斷機裁切精度達到設計要求，取得良好的控制效果，已經應用于實際生產。