吳昊，王鵬，陳鐵，張樹文

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院自動化研究所 山東省機器人與制造自動化技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東德魯克起重機有限公司，山東 新泰 271208)

起重機設(shè)備的主要作用是對物料進行運輸、卸裝等，廣泛應用于各個行業(yè)中，對企業(yè)提高生產(chǎn)效率、減輕工人勞動強度以及降低生產(chǎn)成本等起著重要的作用[1]。起重機常用型號有電動單、雙梁，單主梁起重機、雙主梁龍門起重機等。主梁是其重要組成部分，傳統(tǒng)加工方式一般需要單段折彎、單段組裝拼焊，再根據(jù)起重機的跨度分段組裝拼焊。但是隨著質(zhì)量要求越來越高，對起重機主梁加工時的焊接質(zhì)量、裝配精度等都有了更高的要求，傳統(tǒng)的加工方式常常會因為焊接缺陷、裝配偏差等問題，導致整個起重機主梁需要重新加工，另外噪聲以及空氣污染也給生產(chǎn)線上的工人帶來了負面的影響，與國家節(jié)能減排的要求不符。

本文利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為平臺，以起重機主梁加工系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計開發(fā)了一款起重機主梁自動加工設(shè)備，具有將鋼板自動對中、自動擠壓成型、模具自動調(diào)節(jié)以及設(shè)備狀態(tài)預警等功能，該加工設(shè)備與傳統(tǒng)的拼焊加工方法相比，減少了人工操作，提高了生產(chǎn)效率，且性能穩(wěn)定可靠。

1 起重機主梁加工方法

1.1 傳統(tǒng)起重機主梁加工方法

一般常用的起重機主要有橋式起重機、門式起重機、履帶式起重機等[2]，其主梁結(jié)構(gòu)都是由U型箱體結(jié)構(gòu)組成。

傳統(tǒng)的起重機主梁加工方法一般采用全焊接或折彎焊接。全焊接方法由于鋼板尺寸的限制，每段長度不超過1.5 m，將側(cè)板通過工裝內(nèi)襯支架焊接在一起，再將每段拼焊組成主梁。不同類型起重機主梁通過全焊接方法加工的橫截面如圖1所示。

圖1 兩種起重機主梁全焊接加工的焊縫位置

折彎焊接方法是將鋼板按照起重機主梁三面展開尺寸下料后，由折彎機進行兩處折彎，折成U型箱體，再根據(jù)起重機的總跨度將每段拼焊到一起。折彎機工作臺有長度限制，一般在3 m以內(nèi)，相比全焊接方法增加了單段主梁的長度，減少了整段主梁橫向焊縫，見圖2。

圖2 兩種起重機主梁通過折彎機加工的焊縫位置

由此可見折彎焊接方法比全焊接方法可以減少主梁上的焊縫數(shù)量，但是這兩種加工方法都存在以下問題：焊接的固有特性會引起主梁焊后變形，由焊接導致的應力會引起單段主梁變形，在焊接時需要對主梁矯正，矯正后焊接主梁存在內(nèi)應力，使得整個主梁在焊接后變形[3]；由于多段拼焊會累積誤差，最終組裝的質(zhì)量依靠后期校正實現(xiàn)，導致主梁的質(zhì)量不容易控制；使用折彎機對單段主梁進行折彎，需要多人多次協(xié)作完成，效率低下。

1.2 改進的起重機主梁加工方法

鑒于傳統(tǒng)起重機主梁加工方法的缺陷，本文加工方法是將6 m長的鋼板根據(jù)起重機主梁三面的展開寬度下料，再將鋼板放到加工設(shè)備沖壓成型。這種方法可將起重機主梁的三面通過起重機主梁加工設(shè)備(見圖3～4)一次加工成型，相比傳統(tǒng)的全焊接方法縱向減少兩條焊縫；相比折彎焊接方法，焊縫的數(shù)量沒有減少，但是本加工設(shè)備可以一次折出起重機主梁的三面，減少了工作流程，提高了工作效率。本設(shè)備可一次加工長度為6 m的單段起重機主梁，而全焊接方法一次只能加工出1.5 m的主梁，折彎焊接方法根據(jù)折彎機工作臺的不同長度，一般可加工出2～3 m的單段主梁，相比之下本文加工方法效率大為提高。

圖3 基于PLC的起重機主梁加工設(shè)備三維圖

圖4 起重機主梁加工設(shè)備樣機

2 起重機主梁加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作流程

起重機主梁加工設(shè)備由橫梁、上模位置調(diào)整裝置、液壓缸、上模、送料裝置、下模等組成。圖5為起重機主梁生產(chǎn)裝備總體結(jié)構(gòu)圖。各組成部分的作用如下：(1)橫梁：主要用來承受模具和液壓缸的重量以及沖壓鋼板時的壓力；(2)上模位置調(diào)整裝置：安裝在橫梁的齒條上，由伺服電機驅(qū)動左右移動，調(diào)整上下模的左右位置關(guān)系；(3)液壓缸：設(shè)備的沖壓裝部分,由3個相同液壓缸組成，安裝在上模調(diào)整裝置上，用于沖壓鋼板。每個液壓缸都裝有壓力傳感器、上下限位、行程限位傳感器，用來限制液壓缸的運行距離、保護液壓缸的安全；(4)上模：安裝在液壓缸下，根據(jù)起重機主梁內(nèi)腔的尺寸可選用不同大小的模具；(5)送料裝置：安裝在下模的一側(cè)，用于將鋼板推送到設(shè)定的沖壓位置；(6)下模：由左右兩個擋板組成，其中一個固定，另一個由伺服電機驅(qū)動左右移動，用來調(diào)整下模的寬度。下模底面裝有滾輪，方便沖壓完成后起重機主梁的運輸。

圖5 起重機主梁加工設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

接通電源后，將提前裁剪好的定制鋼板使用行車等輔助設(shè)備運送到送料裝置的物料臺上。物料臺表面裝有滾珠，方便大型鋼板的滑動。根據(jù)工作需求在人機界面選擇工作模式，包括手動模式和自動模式，設(shè)備根據(jù)選擇的模式進行判斷并調(diào)用相應的控制程序。手動模式一般在調(diào)試或設(shè)備出現(xiàn)錯誤時使用，在手動模式下可點擊人機界面相應的按鈕，控制上模調(diào)整裝置和下模調(diào)整裝置的左右移動以及液壓缸的上下移動(在手動模式下液壓缸不受行程限位傳感器的限制)。自動模式下，首先設(shè)定鋼板和主梁寬度，按下啟動按鈕后，上模調(diào)整裝置自動運行到設(shè)定位置，送料裝置通過控制器的計算自動運行將鋼板推送到?jīng)_壓位置，下模調(diào)整裝置調(diào)整到設(shè)定寬度，液壓缸從行程上限位處開始運行，運行到行程下限位處保持2 s后，沖壓動作完成。這時單段起重機主梁三面已經(jīng)成型，隨后下模調(diào)整裝置運行到原點位置，單段起重機主梁被松開(省去了下模的頂出裝置，結(jié)構(gòu)簡單)，整個自動工作過程結(jié)束。最后利用下模底面的滾輪將單段起重機主梁拉出，運送到下一工位。

3 基于PLC的控制系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計

根據(jù)起重機主梁加工設(shè)備的加工原理、控制過程要求，設(shè)計的設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)備的系統(tǒng)硬件主要包括PLC、人機交互界面、傳感器、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器以及液壓缸等。PLC 是一種可編程控制器，相當于控制設(shè)備，采用梯形圖或語句表編程，還可以與人機界面數(shù)據(jù)交互，主要應用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，能滿足工業(yè)現(xiàn)場多狀態(tài)、多工況變化的需要[4]。通過分析，采用臺達PLC 公司生產(chǎn)的 EH系列，其可靠性、擴展性、維護性等比較好。

圖6 起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC作為整個硬件系統(tǒng)的核心，用于接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析處理[5]，從而控制整個設(shè)備的工作；伺服電機驅(qū)動器與PLC相連，接收PLC的指令；傳感器用來采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行元件為液壓缸和伺服電機；人機界面通過串口與PLC進行通信，主要用于控制整個系統(tǒng)的運行和參數(shù)設(shè)置。

3.2 軟件設(shè)計

基于PLC的起重機主梁加工設(shè)備的控制系統(tǒng)分為人機界面模塊、運動控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊和程序管理模塊，見圖7。

圖7 起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運動控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心模塊，主要包括伺服控制模塊和I/O模塊，I/O模塊用來輸出電機、液壓缸的啟停命令，接收傳感器信號。參數(shù)設(shè)置模塊的作用是設(shè)置電機參數(shù)、延時時間、沖壓鋼板尺寸和起重機主梁成型參數(shù)。狀態(tài)監(jiān)測模塊包括報警提示和I/O狀態(tài)顯示，操作人員可以通過I/O狀態(tài)顯示對設(shè)備當前狀態(tài)進行監(jiān)測，在錯誤發(fā)生時報警模塊會發(fā)出提示。程序管理模塊主要作用是實現(xiàn)不同型號起重機主梁加工程序的調(diào)用和保存。人機界面模塊是將以上模塊的輸出輸入狀態(tài)顯示在人機界面上，方便操作人員使用。

3.2.1 人機界面設(shè)計

人機界面是用戶與控制系統(tǒng)交互的橋梁，為用戶全面準確地掌握設(shè)備運行情況提供了極大的便利[6]。用戶通過人機界面將加工程序、加工參數(shù)、電機參數(shù)等指令發(fā)送給系統(tǒng)，控制加工過程?？刂葡到y(tǒng)將運行狀態(tài)、故障報警等信息通過人機界面反饋給用戶，便于對起重機主梁的加工過程進行監(jiān)視控制。

開機時初始化自動跳到主界面，如圖8所示，此時會以紅色字體走馬燈閃爍形式提示回零操作，按下回零按鈕，系統(tǒng)自動回零，回零結(jié)束后提示消失，系統(tǒng)才可以正常操作。主界面分為手動界面、自動界面、參數(shù)設(shè)置和報警監(jiān)測。手動界面中，可以對伺服電機和液壓缸進行正向點動或負向點動調(diào)節(jié)，為設(shè)備調(diào)試提供方便。自動界面中，可以對自動加工程序進行啟動和停止操作，同時還可以根據(jù)加工型號對程序進行選擇。參數(shù)設(shè)置中，包括電機參數(shù)設(shè)置和加工參數(shù)設(shè)置，可修改電機運行參數(shù)，對加工程序參數(shù)進行設(shè)置，見圖9。報警監(jiān)測界面主要用于顯示包括行程限位信號、壓力信號、系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障報警提示，方便操作人員了解設(shè)備的健康狀態(tài)。當系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時會彈出報警界面提示，錯誤處理完后，按下報警復位，提示消除。

圖8 主界面

圖9 參數(shù)設(shè)置

3.2.2 PLC程序設(shè)計

本設(shè)計中由于需要對3臺伺服電機和液壓缸進行定位控制，所以選用DVP64EH00T3，其具有4路高速脈沖輸出接口，同時具有32路輸出、32路輸入，完全滿足設(shè)備的控制要求，輸入輸出元件地址分配見表1。由于控制系統(tǒng)具有手動操作和自動操作兩種工作方式，在程序編寫時，本設(shè)計按手動程序和自動程序這兩大模塊進行編寫[7]。

表1 輸入輸出元件地址分配表

手動程序的編寫需要滿足3臺伺服電機(上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置和送料裝置)的點動控制和液壓缸的上升下降這些運動的控制要求。自動程序包括上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置和送料裝置自動運行到設(shè)定后計算得到的位置，液壓缸沖壓，沖壓完成后下模調(diào)整裝置松開，液壓缸回到初始位置，手動、自動程序的切換通過人機界面按鈕實現(xiàn)。整個程序結(jié)構(gòu)有初始化程序、手動程序、自動程序和回零程序組成[8-9]?？刂葡到y(tǒng)程序流程設(shè)計見圖10。在初始化程序運行時，要對PLC中各個信號、回零狀態(tài)和各軸狀態(tài)等進行初始化，防止誤操作造成的人員傷害或設(shè)備損壞。

圖10 控制系統(tǒng)程序流程圖

在初始化程序中，復位了回零完成標志，在每次設(shè)備開機時會出現(xiàn)回零提示，必須點擊回零按鈕，完成回零動作后，才可以進行手動、自動程序的操作。圖11給出了自動程序流程圖。

圖11 自動程序流程圖

自動程序控制過程分析：上電開機后，首先點擊回零按鈕，上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置、送料裝置向零點方向以設(shè)定速度運行，碰到各自零點傳感器后停止，并將當前位置設(shè)置為零點。正確放置好鋼板后，設(shè)置鋼板寬度和起重機主梁成型參數(shù)后，按下啟動按鈕，上模調(diào)整裝置、下模調(diào)整裝置、送料裝置自動運行到設(shè)定計算位置，全部到位后，液壓缸開始沖壓。直到遇到液壓缸下限位信號，液壓缸停止并保持2 s，下模調(diào)整裝置回到零點，液壓缸返回到初始位置，自動程序結(jié)束。

4 運行測試

起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，進行了運行測試。運行測試時分別按照自動模式和手動模式的操作流程進行操作。測試結(jié)果表明，基于PLC的起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且實現(xiàn)了自動控制要求。選擇人機界面作為上位機使用方便，可對不同型號加工板材的加工數(shù)據(jù)進行分組設(shè)置。運行過程中根據(jù)實際情況實時顯示報警信息，方便操作人員及時排除故障。

起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于某公司的起重機主梁加工生產(chǎn)設(shè)備中。經(jīng)實踐驗證，使用該系統(tǒng)的加工設(shè)備加工一段6 m的主梁U型箱體只需要2～4 min，加工一臺18 m的主梁U型箱體只需要6～12 min。而傳統(tǒng)的加工方式加工，同樣18 m的主梁U型箱體需要2 d。與企業(yè)原有加工方法相比，使用該系統(tǒng)的設(shè)備也節(jié)約了人力，降低了用工成本。

5 結(jié)論

基于PLC的起重機主梁加工設(shè)備控制系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)起重機主梁加工方法效率低、誤差大等問題，目前已在某企業(yè)的起重機主梁生產(chǎn)中得到應用。通過調(diào)試實驗證明，本控制系統(tǒng)加工的產(chǎn)品由于采用沖壓一次成型，減少了焊(接)縫數(shù)量，提高了主梁的美觀程度和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了焊接帶來的污染。