夏曉謙 邱熹程 李林星 黃 輝

（1.益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 益陽 413000；2.華翔翔能科技股份有限公司,湖南 益陽 413000）

自動化碼垛機在物流輸送、機械加工、元件裝配等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，自動化碼垛設(shè)備現(xiàn)階段朝著智能化、數(shù)據(jù)化和多品類化發(fā)展[1]。據(jù)實際調(diào)研，在變壓設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)中，其中內(nèi)部型材工件由帶鋼軌壓成型，本文所涉及的C型鋼工件由于其端面尺寸和表面特征的復(fù)雜性，現(xiàn)階段企業(yè)采用人工碼垛方式進行。

為了解決該難題，本課題設(shè)計、研究了一套基于信捷PLC控制系統(tǒng)的自動碼垛設(shè)備，用于該企業(yè)中C型鋼工件的自動碼垛。該設(shè)備以氣動為主要動力源，結(jié)合部分傳統(tǒng)機械傳動，采用伺服系統(tǒng)控制三軸移動，通過三軸聯(lián)動方式來實現(xiàn)C型材的精準(zhǔn)碼垛。該自動碼垛機的設(shè)計使用不但可以極大提高設(shè)備的整體效率，還可以將現(xiàn)有人工解放出來，具有極好的實際意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括接料架、轉(zhuǎn)運小車、龍門架、龍門模組、直線導(dǎo)軌、電磁閥、氣壓表、鋼材原料、PLC、觸摸屏、伺服驅(qū)動器等[2]。其中，C型材由底部旋轉(zhuǎn)氣缸進行抓取定位，直線導(dǎo)軌進行X軸運動，底部為下料碼垛區(qū)域。設(shè)備整體組織結(jié)構(gòu)分為4大部分，分別是C型材成型裝置、剪切裝置、C型材碼垛裝置、系統(tǒng)電氣控制裝置4個部分。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 碼垛前裝置

碼垛前裝置主要由成型裝置、剪切裝置、下料裝置組成，其中成型裝置由12對變徑軋輥組成，通過此裝置，將鋼帶軋制成成品C型材以供后續(xù)剪切工序操作。

下料裝置主要由料架、雙軸氣缸、橫向推板、縱向推板、外圍擋板和其他元件組成。C型材經(jīng)剪切裝置切斷后，由橫向氣缸驅(qū)動推板將其推至內(nèi)側(cè)，再由縱向氣缸驅(qū)動推板將C型材定位。

1.2 碼垛裝置

裝置主要有氣缸安裝板、固定塊、龍門架、連接板、安裝板、機電架、連接梁、感應(yīng)片、連接片、緩沖塊。通過控制3個模組和氣缸夾爪將C型材搬運至預(yù)定地點。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控單元硬件選型與設(shè)計

根據(jù)碼垛機運動控制要求，初步得出22個輸入點數(shù)、24個輸出點數(shù)，考慮到三軸伺服驅(qū)動，控制系統(tǒng)主控單元采用信捷XD系列產(chǎn)品，考慮到系統(tǒng)可能會做進一步的拓展，根據(jù)經(jīng)濟型考慮，采用信捷XDM-60T10-C系列PLC。

信捷XDM-60T10-C系列PLC基本處理指令0.02～0.05 us（以太網(wǎng)型可達0.01～0.03 us），掃描時間10 000步1 ms，程序容量最高達1.5 MB（XDH高達4 MB）。資源量最多可達8 000點非掉電保持流程S、1 000點掉電保持流程HS、70 000點非掉電保持中間繼電器M、12 000點掉電保持中間繼電器HM、1 280點輸入繼電器X、1 280點輸出繼電器Y、5000點非掉電保持定時器T、2 000點掉電保持定時器HT、5 000點非掉電保持計數(shù)器C、2 000點掉電保持計數(shù)器HC、70 000點數(shù)非掉電保持據(jù)寄存器D、25 000點數(shù)掉電保持據(jù)寄存器HD、8192點FD。XDH系列具有更大的內(nèi)部容量。電源供給為220 V交流，I/O點數(shù)為60個。

2.1.1 主控PLC

信捷XDM-60T10-C系列PLC兼容XD3的所有功能，支持4～10軸高速脈沖輸出，可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動、插補、隨動等運動控制功能，可接擴展模塊、擴展ED、擴展BD。根據(jù)系統(tǒng)控制要求得出系統(tǒng)總共需要30個24VDC的輸入信號響應(yīng)，18個信號輸出，其中15個繼電器輸出，3個晶體管輸出，用于控制三路伺服系統(tǒng)，實際點數(shù)根據(jù)30%余量計算，該PLC可滿足現(xiàn)有需求。

2.1.2 觸摸屏

根據(jù)主令控制要求得知，需要設(shè)置系統(tǒng)開始、調(diào)試、自動化運行等界面，考慮到主要主令控制由觸摸屏直接控制并考慮經(jīng)濟性，決定選用信捷TK8071ip觸摸屏作為系統(tǒng)人機界面，構(gòu)成了控制終端。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)選用力川伺服套件，主要硬件配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)硬件在供電設(shè)計部分，考慮到電路的安全性，除總開關(guān)進行總控制外，觸摸屏、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備均有單獨開關(guān)控制供電，控制系統(tǒng)的供電接線如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)供電及電氣接線圖

2.2 碼垛機系統(tǒng)PLC程序分析

PLC程序在信捷PLC操作平臺上采用梯形圖進行開發(fā)，系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示，主要功能包括系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、碼垛運動控制、下料定位控制。因此程序采用模塊式設(shè)計方式，對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、碼垛運動控制、下料定位控制分別進行設(shè)計。其中系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)監(jiān)控主要是D1：現(xiàn)階段處理產(chǎn)品尺寸；D2：堆垛總數(shù)量；D3：及時數(shù)量；D4：X模組位置數(shù)據(jù)；D5：Y模組位置數(shù)據(jù)；D6：Z模組位置數(shù)據(jù)等，軟元件注釋部分如表2所示。

表2 部分系統(tǒng)地址分配

碼垛運動控制主要為三軸模組伺服驅(qū)動，通過順序控制子模塊進行控制，由回原點→就位抓取→回初始位置→X位置移動→Y方向移動→Z方向移動→返回運動→等待→循環(huán)進行，詳細過程見圖3、圖4。下料定位控制程序塊主要完成取料點和下料點的計算，本模塊通過對下一個C型材的行列序號對三軸模組的位移進行計算并將計算值導(dǎo)入順控指令中達到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成運動位移的目的。

圖3 順序控制主要邏輯框架

圖4 系統(tǒng)控制詳細步驟

2.3 觸摸屏軟件設(shè)計

觸摸屏的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)開始界面、設(shè)備調(diào)試檢修界面、設(shè)備自動化運行界面、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面和其他界面的設(shè)計。通過PLC與觸摸屏的通訊連接和觸摸屏內(nèi)部組態(tài)，將輸入輸出點位以及數(shù)據(jù)區(qū)的信息進行鏈接，達到呈現(xiàn)、交互、控制等目的。通過數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)積累和計算可以得出設(shè)備的歷史情況，從而優(yōu)化后續(xù)設(shè)計與生產(chǎn)工藝。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計功能界面包括：系統(tǒng)歡迎界面、調(diào)試及設(shè)置界面、系統(tǒng)運行主界面、歷史數(shù)據(jù)界面。其中調(diào)試及設(shè)置界面主要完成系統(tǒng)主令信號調(diào)試、三軸伺服調(diào)試、氣缸等驅(qū)動部件調(diào)試、產(chǎn)品尺寸設(shè)置及碼垛行列層設(shè)置、剪切信號相應(yīng)測試等功能。系統(tǒng)運行主界面主要實現(xiàn)在系統(tǒng)自動運行情況下各個信號的及時狀態(tài)、產(chǎn)品堆垛及時情況、系統(tǒng)運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)界面可對之前碼垛的產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)調(diào)用。

3 結(jié)語

本次項目在一定程度上提高了該電氣設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的工作效率，解放了人工，達到120根/小時的工作量。經(jīng)過半年的運行，整個設(shè)備運行良好，在惡劣的環(huán)境下，電氣元器件、傳感器和其他重要部件沒有發(fā)生損毀現(xiàn)象，以其操作簡單、系統(tǒng)可靠、自動化程度高、碼垛準(zhǔn)確等特點，得到合作企業(yè)的好評。