劉國梁，戴曦，馮徐鑫，葛永亮，許振飛

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州310018)

0 引 言

筒紗是現(xiàn)代紡織業(yè)絡(luò)筒工藝的產(chǎn)出品，是制成服裝的基礎(chǔ)材料。隨著我國紡織業(yè)的飛速發(fā)展，市場要求機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度更高，生產(chǎn)方式的高速、高效、高可靠性及新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用成為今后紡織業(yè)的發(fā)展方向[1]，必須要保證產(chǎn)品高質(zhì)量與高生產(chǎn)效率的統(tǒng)一。

當(dāng)下大多數(shù)企業(yè)滿足市場需求的手段是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模及提高工人的生產(chǎn)效率，人工操作機(jī)械生產(chǎn)筒紗依然是主要的生產(chǎn)方式，這種方式占用了大量的人力資源，效率低下且產(chǎn)品質(zhì)量不能得到保證[2]。部分企業(yè)雖然購買了進(jìn)口設(shè)備，提高了筒紗質(zhì)量、生產(chǎn)效率，節(jié)省人工成本，但設(shè)備昂貴、維護(hù)成本較高。

隨著現(xiàn)代工業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，“機(jī)器換人”已然成為業(yè)內(nèi)的必然選擇。實(shí)現(xiàn)筒紗生產(chǎn)包裝的自動(dòng)化已是目前行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是紡紗廠產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必經(jīng)之路[3-5]。在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式效率不能提升和進(jìn)口設(shè)備成本高的情況下，自主開發(fā)自動(dòng)化程度高的紡紗設(shè)備已是大勢所趨。

1 分揀系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 筒紗分揀設(shè)備的系統(tǒng)組成與工作原理

筒紗生產(chǎn)線分揀設(shè)備的作用是對(duì)生產(chǎn)車間已經(jīng)生產(chǎn)好的筒紗進(jìn)行識(shí)別后分揀。其設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械主體與電氣控制兩個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)包含了上料、送料、下料3個(gè)子系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中每個(gè)上下料單元皆可獨(dú)立控制，以便根據(jù)各個(gè)企業(yè)的實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。這種設(shè)計(jì)方案的上下料單元可替換性強(qiáng)，便于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。筒紗分揀系統(tǒng)的上料、送料、下料均為自動(dòng)控制，通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作和人機(jī)交互。

上下料系統(tǒng)的動(dòng)力裝置為伺服電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)。上下料機(jī)構(gòu)示意圖如圖2 所示。上料系統(tǒng)工作時(shí)，將筒紗放置于機(jī)械臂上，機(jī)械臂從支撐柱上升至吊桶下方的傳感器位置時(shí)，傳感器檢測筒紗的型號(hào)及規(guī)格，機(jī)械臂將其送至軌道上循環(huán)的相應(yīng)吊桶，筒紗在自身重力作用下停留于吊桶之中完成筒紗的分揀，同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)控制機(jī)械臂下降到原始位置（零位），開始下一個(gè)循環(huán)。循環(huán)送料系統(tǒng)在鏈條傳動(dòng)下進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作，吊桶束于鏈條下方跟隨鏈條運(yùn)動(dòng)。下料系統(tǒng)同樣采取伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，其機(jī)械臂零位位于吊桶下方，其動(dòng)作過程與上料系統(tǒng)相反，當(dāng)一個(gè)傳感器檢測到吊桶中的筒紗為所接受的規(guī)格時(shí)，其所屬的機(jī)械臂便將筒紗抓取至包裝工位，隨后機(jī)械臂回歸至零位，等待下一個(gè)循環(huán)。

1.2 系統(tǒng)的技術(shù)要求

為了滿足生產(chǎn)需求，筒紗生產(chǎn)線分揀設(shè)備的控制系統(tǒng)需滿足的技術(shù)要求如下：1）能夠識(shí)別不同規(guī)格的筒紗并進(jìn)行分揀；2）能夠通過人機(jī)交互界面顯示和設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)；3）能夠進(jìn)行故障檢測并報(bào)警，具有故障復(fù)位功能；4）生產(chǎn)效率滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 上下料機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 分揀方案設(shè)計(jì)

筒紗分揀系統(tǒng)中，吊桶安裝于循環(huán)軌道之上，布局方式如圖3 所示。軌道中安裝有6 種擁有不同標(biāo)志的吊桶以裝載不同規(guī)格的筒紗，每種標(biāo)志以包含圓點(diǎn)的數(shù)目來區(qū)分，傳感器通過掃描標(biāo)志來區(qū)分吊桶，從而得到吊桶對(duì)應(yīng)的筒紗規(guī)格信息。根據(jù)生產(chǎn)要求，可將識(shí)別規(guī)格的數(shù)量做相應(yīng)調(diào)整。

圖3 吊桶布局圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)組成

筒紗分揀系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)主要由PLC、伺服控制系統(tǒng)、人機(jī)交互單元組成。PLC 作為核心控制裝置，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的定位控制及對(duì)其他動(dòng)作元件的邏輯控制；伺服控制系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)械臂的精確定位和速度調(diào)整；人機(jī)交互單元選用臺(tái)達(dá)的HMI，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)顯示、參數(shù)修改及基本操作等功能。圖4 為系統(tǒng)的主電路原理圖。

圖4 控制系統(tǒng)主電路原理

表1 I/O 地址分配表

2.2 主要硬件選型

筒紗分揀系統(tǒng)使用交流電，因此PLC輸入口采用交流電源。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，筒紗分揀系統(tǒng)所需主要輸入口和輸出口各為20 個(gè)（I/O 分配見表1），另外考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展改造，選用PLC的品牌和型號(hào)為臺(tái)達(dá)DVP60ES00T2，含輸入端口36 個(gè)，輸出端口為24 個(gè)，輸出為晶體管型，交流電源供電[6]。

PLC 以脈沖形式驅(qū)動(dòng)伺服控制器，伺服控制器驅(qū)動(dòng)上下料伺服電動(dòng)機(jī)，使上下料機(jī)械臂垂直運(yùn)動(dòng)。筒紗分揀系統(tǒng)所使用的伺服系統(tǒng)采用的控制模式為位置控制，該控制模式可以使筒紗上下料機(jī)械臂穩(wěn)定升降，可以避免系統(tǒng)位置偏移，以應(yīng)對(duì)筒紗需精確定位的要求[7-8]。為了更好地控制機(jī)械臂的動(dòng)作，保證其運(yùn)行穩(wěn)定性與精準(zhǔn)性，選擇臺(tái)達(dá)ASDA-B2 系列的伺服驅(qū)動(dòng)器及相配套電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)單元。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采用的臺(tái)達(dá)DVP 系列PLC 使用ISP Soft 編程，該軟件的用戶程序包含主程序及功能塊。

圖5 為筒紗分揀系統(tǒng)PLC 時(shí)序圖。該系統(tǒng)將PLC 程序分為上料、送料循環(huán)和下料3 個(gè)系統(tǒng)，這3 個(gè)系統(tǒng)既可以獨(dú)立控制，也可作為整體協(xié)同工作。

筒紗分揀系統(tǒng)上料工作要求如下（以1 號(hào)規(guī)格為例）：

1）接通電源，按下啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指示燈亮;2）當(dāng)檢測筒紗的傳感器檢測到筒紗到達(dá)機(jī)械臂位置，上料驅(qū)動(dòng)電源接通，機(jī)械臂經(jīng)鏈傳動(dòng)從支撐柱底端上升；3）當(dāng)上料到位傳感器檢測到筒紗，循環(huán)送料電源斷開；4）當(dāng)1 號(hào)位傳感器檢測到與其對(duì)應(yīng)的吊桶1時(shí)，上料電源接通，筒紗在重力作用下進(jìn)入吊桶，該筒紗對(duì)應(yīng)的規(guī)格指示燈亮起；5）伺服電動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)，上料機(jī)械臂回零位，流程循環(huán)結(jié)束，等待下一個(gè)循環(huán)。

上料系統(tǒng)工作流程如圖6 所示。當(dāng)系統(tǒng)首次進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)械臂將進(jìn)行回零操作，回到系統(tǒng)原點(diǎn)，等待進(jìn)一步操作指令。筒紗進(jìn)入上料起始位置時(shí)，觸發(fā)請(qǐng)求上料信號(hào)，機(jī)械臂將在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下上升至上料等待區(qū)，機(jī)械臂停留在此處等待對(duì)應(yīng)吊桶到達(dá)。吊桶通過每個(gè)上料工位時(shí)，由該工位的光電傳感器組合進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)該吊桶被確認(rèn)為待上料吊桶時(shí)，機(jī)械臂在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下再次上行。筒紗上行至吊桶上方將再次通過光電傳感器組合進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)品種無誤后，機(jī)械臂在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下開始下行，直至回到原點(diǎn)，進(jìn)入上料等待狀態(tài)。在上料等待狀態(tài)時(shí)，可以通過停止按鈕退出上料系統(tǒng)。

圖5 筒紗分揀系統(tǒng)PLC 時(shí)序圖

圖6 上料系統(tǒng)流程圖

3.2 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)DOP 系列HMI 進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主界面、報(bào)警界面、參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)操作界面及感應(yīng)信號(hào)顯示界面。主界面（如圖7）主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本操作和上下紗種類的設(shè)定，以及切換至二級(jí)界面的功能。二級(jí)界面除了實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能外，還可切換至其他同級(jí)界面和返回主界面。圖8 為報(bào)警界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示每個(gè)動(dòng)作單元的狀態(tài)，當(dāng)有異常發(fā)生，在相應(yīng)的工位右側(cè)將從綠色正常狀態(tài)變?yōu)殚W爍的紅色異常狀態(tài)。從報(bào)警界面可以通過界面切換按鈕返回主界面，或者切換至感應(yīng)信號(hào)顯示界面。

圖7 人機(jī)交互主界面

圖8 報(bào)警界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用

分揀設(shè)備控制系統(tǒng)已在紡紗廠實(shí)際紡紗生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試和測試。在測試中使用6 種規(guī)格的筒紗各50 顆，通過人工方式有序放入上料預(yù)備工位，單臺(tái)上料機(jī)將不同規(guī)格的筒紗進(jìn)行分揀，總用時(shí)為270 s，單顆筒紗上料耗時(shí)5 s 左右。單顆筒紗送料耗時(shí)3 s左右，下料耗時(shí)5 s 左右。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠完成筒紗的分揀任務(wù)，并且滿足目前生產(chǎn)線運(yùn)行要求。圖9 為調(diào)試與測試現(xiàn)場。

5 結(jié) 論

本文提出了筒紗自動(dòng)分揀設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并具體實(shí)施。控制系統(tǒng)以PLC 為核心，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行單元的動(dòng)作輸出，以及各單元之間的邏輯控制。人機(jī)交互界面不僅提供了對(duì)設(shè)備的基本操作功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控與系統(tǒng)參數(shù)的顯示設(shè)置。筒紗分揀控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)線的測試中，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了分揀工位的自動(dòng)化。

圖9 調(diào)試與測試現(xiàn)場