摘"要：為滿足板料自動倉儲、出庫、上料與下料等，設(shè)計基于PLC的柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。該生產(chǎn)線主要由立體料庫、送料小車、出料小車與上下料桁架機器人組成。在McgsPro下完成控制系統(tǒng)的人機交互界面的設(shè)計，在TwinCAT下完成控制系統(tǒng)的I/O模塊和PLC程序的編寫。該系統(tǒng)不僅可以高效率、高精度控制各個機構(gòu)的運動，還可以通過上位機畫面實時監(jiān)控工作狀態(tài)。通過實際程序調(diào)試得出：各機構(gòu)運行可靠穩(wěn)定，能夠滿足板料的自動出入庫與上下料功能，提高了生產(chǎn)效率，具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：柔性上下料生產(chǎn)線；立體料庫；上下料桁架機器人；PLC

中圖分類號：TP278;TP242""文獻標志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0129-05

Design of Flexible Loading and Unloading Production Line Control System Based on PLC

XU Chaofan1， WANG Zhenhua1， ZHONG Sheng2， PU Yong2， FENG Yuqing1

（1. College of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science amp; Technology， Nanjing 210094， China；

2. Yangzhou Antil Automation Technology Co.， Ltd.， Yangzhou 211407，China）

Abstract：In order to meet the requirements of automatic storage， unloading， feeding and unloading of sheet materials， a flexible loading and unloading production line control system based on PLC is designed. The line is mainly composed of three-dimensional material warehouse， feeding trolley， discharging trolley and loading and unloading truss robot. The human-computer interaction interface of the control system was designed under McgsPro， and the I/O module and PLC program of the control system were written under TwinCAT. The system can not only control the motion of each mechanism with high efficiency and precision， but also monitor the working state through the upper computer screen. With the actual program debugging， it is concluded that the operation of each mechanism is reliable and stable， which can meet the automatic loading and unloading functions of sheet material， improve the production efficiency， and has high practical value.

Keywords：flexible loading and unloading production line；stereoscopic material library；loading and unloading truss robot；PLC

0"引言

鈑金加工是機械制造領(lǐng)域的重要組成部分，在汽車、電器以及通信等行業(yè)具有十分重要的地位。而如今，我國制造業(yè)正朝著智能制造方向發(fā)展，設(shè)備制造水平不斷進步，各行業(yè)對鈑金加工產(chǎn)品的需求也在不斷增長，為鈑金加工企業(yè)提供了很大的商機［1-3］。但國內(nèi)鈑金加工上下料生產(chǎn)線需要人工編號存儲板料，人工完成板材出庫，對于大批量切割板材的應(yīng)用，這樣的生產(chǎn)線效率低下，因此鈑金加工企業(yè)越來越注重自動化及柔性化生產(chǎn)［4-5］。

針對上述問題，本文設(shè)計的柔性上下料生產(chǎn)線包括立體料庫、送料小車、出料小車及上下料桁架機器人，能夠完全實現(xiàn)板材的自動出入庫與上下料等功能。控制系統(tǒng)是以PLC為主控單元，選擇氣動元件、異步電機與伺服電機作為執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)板材激光切割的流程，制定了完整柔性生產(chǎn)線的運行方案。完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件設(shè)計［6］。該柔性生產(chǎn)線無需人工勞動，實現(xiàn)了自動化控制，提高了生產(chǎn)效率，具有很高的實用價值。

1"柔性上下料生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)線工作要求，升降機從立體料庫中取出物料托盤，放置于立體料庫最下層的送料小車上，送料小車移動至上料位置，再由上下料桁架機器人吸取托盤中的板材，通過真空吸盤與氣缸完成對板材的分層與測厚操作，確保每次只吸取單層板材［7］。然后再將板材放置于出料小車上，最后出料小車將板材送至激光切割機處，根據(jù)切割任務(wù)要求完成切割，從而形成一套完整的柔性自動化上下料生產(chǎn)線。其生產(chǎn)線如圖1所示。

1.1"上下料桁架機器人

該生產(chǎn)線中的上下料桁架機器人為兩軸機器人，主要由C柱、橫梁（x軸）、豎梁（z軸）、桁架機械手（真空吸盤、料叉和氣缸等）以及傳動系統(tǒng)（齒輪齒條機構(gòu)）組成。桁架機械手通過真空吸盤實現(xiàn)板材取放功能并配有分層裝置和測厚裝置。測厚裝置由電磁閥組成，實現(xiàn)對板材的測厚操作；分層裝置由電磁閥與真空吸盤組成，通過分層吸盤的不同頻率吸放板材，實現(xiàn)每次只取單張板材的功能。桁架機器人通過x軸橫梁和z軸豎梁的移動來實現(xiàn)板材上料與下料的功能。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2"立體料庫

立體料庫作為柔性上下料生產(chǎn)線的物料中心，為激光切割中心存儲與運送板材，是生產(chǎn)線的重要組成部分［8-9］。此生產(chǎn)線中的立體料庫為8層料庫，主要由升降機、物料托盤（板材儲放）、料庫本體以及傳動系統(tǒng)（齒輪齒條傳動機構(gòu)）組成。升降機通過水平鏈條實現(xiàn)物料托盤的入庫和出庫的功能，升降機通過垂直鏈條實現(xiàn)物料托盤上下移動的功能。

2"柔性上下料系統(tǒng)總體方案設(shè)計

2.1"技術(shù)要求

根據(jù)生產(chǎn)線整體結(jié)構(gòu)可知，上下料桁架機器人和立體料庫對整條生產(chǎn)線起到十分重要的作用，其控制系統(tǒng)都需要對其進行精準定位控制。其部分技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。立體料庫中物料托盤與其儲存板材總質(zhì)量超過3t，因此需降低其移動速度來保證運動平穩(wěn)性。

2.2"控制要求

為了滿足生產(chǎn)線實際要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)定性、人機交互功能以及良好的實時性［10］。因此，該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用PLC+HMI（觸摸屏）結(jié)構(gòu)。即使用PLC通過輸出脈沖對伺服系統(tǒng)進行控制，通過編碼器實時反饋信息給伺服驅(qū)動器并進行校正，從而使立體料庫與機器人精準運動至設(shè)定的位置，最終完成整條生產(chǎn)線的運動。同時將立體料庫與機器人實時運動信息傳遞給HMI，通過觸摸屏可直接對立體料庫與機器人進行控制。其部分控制系統(tǒng)方案如圖3所示。

2.3"工作流程

根據(jù)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制要求，柔性上下料生產(chǎn)線流程主要分為4個步驟，板材的出庫、送料小車的搬運、上下料機器人的上料以及出料小車的搬運。具體工作流程如下。

1）板材的出庫：立體料庫接收到PLC的出庫信號后，料庫鎖緊氣缸打開，升降機垂直軸運動，升到對應(yīng)板材庫層的高度，通過水平料勾軸的運動，將托盤與板材拉至升降機上，升降機下降至送料小車高度，再由料勾運動，將托盤與板材拉運至送料小車上。

2）送料小車的搬運：小車接收到托盤到位的信號后，小車鎖緊氣缸打開，開始運動，在第一個限位開關(guān)處減速，在第二個限位開關(guān)處停止，等待上料。

3）上下料機器人的上料：接收到小車到位信號后，上下料機器人z軸向下運動至板材上料高度，電磁閥控制真空吸盤吸取板材；控制氣缸完成板材的測厚工作，然后機器人x軸運動至出料小車上方，z軸向下運動至下料高度，打開叉齒，放置板材于出料小車上。

4）出料小車的搬運：小車接收到板材下料完成信號后，運動至激光切割機處，等待切割。

3"柔性上下料系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1"控制器選型

柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由控制器、觸摸屏和執(zhí)行機構(gòu)組成?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)的核心部件，負責實現(xiàn)系統(tǒng)脈沖指令發(fā)送、伺服電機運動計算以及信息反饋處理等功能［11］。該生產(chǎn)線采用倍福CX9020系列嵌入式控制器，該控制器具有自動識別總線系統(tǒng)的功能，能夠自動切換到相應(yīng)的工作模式，提高了整個系統(tǒng)的可靠性，使得系統(tǒng)更加簡潔和高度集成化。系統(tǒng)配備3個EL1809和2個EL2809倍福數(shù)字量模塊，每個數(shù)字量模塊含有16個數(shù)字信號，來完成信號的輸入與輸出，如表3所示。

3.2"氣動元件選型

氣動控制元件選擇兩位三通電磁閥與兩位五通電磁閥，氣動執(zhí)行元件選擇真空吸盤與氣缸。生產(chǎn)線中上下料桁架機器人利用兩位三通電磁閥控制真空吸盤實現(xiàn)取放板材的功能，利用兩位五通電磁閥控制3個氣缸分別實現(xiàn)測厚裝置水平伸縮、垂直升降和夾緊等功能，利用位移傳感器測得板材厚度與單層厚度進行對比，確保每次只吸取單層板材。

3.3"伺服系統(tǒng)選型

伺服驅(qū)動器與伺服電機組成的伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對速度、位置等的補償［12］，用在上下料桁架機器人水平軸與垂直軸的齒輪齒條運動以及立體料庫料勾軸與升降機軸的齒輪齒條運動；變頻器與異步電機組成的變頻系統(tǒng)通過限位開關(guān)來控制極限位置，用在小車與桁架機械手的鏈輪鏈條運動控制。其中，上下料桁架機器人主要實現(xiàn)板材精準位置的上下料，立體料庫主要實現(xiàn)板材精準位置的出庫與入庫。因此其伺服系統(tǒng)選擇位置控制方式，其伺服控制原理如圖4所示。

3.4"觸摸屏選型

觸摸屏主要用于生產(chǎn)線運行過程中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與可視化監(jiān)控等，為滿足整條生產(chǎn)線的可視化效果，采用昆侖通態(tài)TP1031NI系列觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機。該觸摸屏擁有十分強大的Cortex-A7多核處理器，工作主頻高達1GHz，同時裝了McgsPro組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)全網(wǎng)監(jiān)控與遠程控制等功能，主要可以實時顯示立體料庫與上下料桁架機器人的位置與運行狀況等信息，系統(tǒng)出故障時人機交互頁面會及時顯示相應(yīng)的報警信息。實物接口如圖5所示。

4"柔性上下料系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是實現(xiàn)上下料機器人與立體料庫功能的重要保障，其目標是將需要的各種功能有序組織起來，使得系統(tǒng)有較好的操作性與可靠性以及較高的效率與靈活性。

4.1"PLC程序設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)線的動作順序，將立體料庫與送料小車作為第1個單元模塊，配置1個電氣柜與觸摸屏；將上下料機器人與出料小車作為第2個單元模塊，配置1個電氣柜與觸摸屏。然后在TwinCAT軟件中對單元模塊進行PLC編程。由于輸入輸出信號較多，控制過程比較復(fù)雜，因此對模塊的PLC程序進行功能劃分：料勾出入庫運動、升降機上下運動、小車運動、上料與下料運動功能塊以及報警、測厚、限位與復(fù)位等功能塊。分別對功能塊進行PLC程序編寫，使得程序邏輯清晰。再將程序設(shè)計為3種運行控制模式：自動模式、半自動模式和手動模式。在手動模式下，支持各種動作編輯以及參數(shù)設(shè)置，主要用在程序調(diào)試場合。在半自動模式下，可根據(jù)手動模式下設(shè)置好的參數(shù)分別進行各個運動功能塊的運行，檢測各個部件進行的流暢性以及程序的合理性。在自動模式下，可在設(shè)置好的參數(shù)下直接完成整條生產(chǎn)線的運動過程。ST語言相比于其他語言，具有良好的跨平臺移植性、方便的數(shù)學計算、輕松實現(xiàn)復(fù)雜算法、輕松進階計算機高級語言與注釋方便等優(yōu)點，因此PLC編程使用ST語言。

4.2"人機交互頁面

為滿足立體料庫與機器人系統(tǒng)的可視化監(jiān)控，HMI界面中設(shè)置主界面、手動模式、參數(shù)界面、自動模式、輸入監(jiān)控、輸出監(jiān)控以及報警監(jiān)控等畫面。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號以及PLC程序的各運行功能塊，在昆侖通態(tài)界面編輯軟件McgsPro中通過添加畫面，設(shè)置現(xiàn)場操作所需要的文本顯示框，部分人機交互頁面如圖6所示。

5"試驗測試

柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完成后，根據(jù)生產(chǎn)線機械系統(tǒng)各部件的位置與控制系統(tǒng)的電氣原理圖，完成整條生產(chǎn)線各部件之間的接線。

連線全部完畢之后，調(diào)節(jié)變頻器與伺服驅(qū)動器的參數(shù)，將計算機上編寫的PLC程序下載到控制器中，將HMI編輯界面下載到觸摸屏中，通過數(shù)據(jù)線實現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的通信。然后在觸摸屏上進行參數(shù)設(shè)定，如最大速度、最大加速度、正負最大限位和原點位置等。根據(jù)柔性上下料生產(chǎn)線的運動順序在不同觸摸屏中進行操作，對每個輸入輸出點、PLC程序模塊與操作方式進行調(diào)試。通過手動模式單獨執(zhí)行立體料庫的水平鏈條與垂直鏈條的動作，確保其運動平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大的振動與沖擊。單獨執(zhí)行小車的運動，確?？梢匝仡A(yù)設(shè)路徑準確運行，在限位開關(guān)處也可以及時減速與停住。單獨執(zhí)行上下料桁架機器人的x軸與z軸的運動，保證其運動平穩(wěn)且精確。單獨控制執(zhí)行桁架機械手的真空吸盤與氣缸，能準確完成板材的吸取與分層測厚等功能。保存手動模式下運動過程中的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)信息，如圖7所示，為自動模式提供數(shù)據(jù)參考。

在半自動模式下，控制系統(tǒng)可以順利完成板材的出庫、入庫、上料與下料等單個模塊的動作，最后在自動模式下運行，控制系統(tǒng)可以準確完成整條柔性上下料生產(chǎn)線的運動過程，通過觸摸屏上數(shù)據(jù)顯示，立體料庫與上下料機器人均可滿足速度與重復(fù)定位精度的要求，其上下料機器人的實際運行界面如圖8所示。

6"結(jié)語

1）首先對柔性上下料生產(chǎn)線的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，完成了以立體料庫、上下料機器人與小車為主體的全自動化柔性上下料生產(chǎn)線。然后對生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，結(jié)合實際生產(chǎn)線要求設(shè)計了以伺服電機、伺服驅(qū)動器為主的伺服控制系統(tǒng)，并采用了以“PLC+HMI”的控制模式。在此前提下，又進行了電氣元件的選型、HMI人機界面的編輯以及PLC程序的編輯。

2）實際程序調(diào)試表明，基于PLC控制系統(tǒng)的立體料庫與上下料桁架機器人運動過程中不僅具有高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，還滿足速度以及重復(fù)定位精度的實際要求。因此，該控制系統(tǒng)可滿足板料自動倉儲、出庫、上料與下料等功能，解決了傳統(tǒng)上下料工作仍需人工搬運、存儲與出庫等問題，形成了一套完整的自動化柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)效率，具有很高的實用價值。

參考文獻：

［1］ 王奇. 基于閘剪的鈑金柔性生產(chǎn)線研究［D］. 合肥：合肥工業(yè)大學，2019.

［2］ 佚名. 鈑金加工需引進先進技術(shù) 自動化成大勢所趨［J］. 機床與液壓，2017，45（11）：107.

［3］ 王勇，王奇，朱世凡，等. 鈑金柔性生產(chǎn)線技術(shù)綜述［J］. 新型工業(yè)化，2019，9（1）：52-57.

［4］ 卞正其，張超，朱志金. 沖折機器人鈑金加工自動化柔性生產(chǎn)線［J］. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（3）：51-54.

［5］ 任炳禮，洪強. 鈑金加工技術(shù)發(fā)展趨勢——智能化［J］. 金屬加工（熱加工），2015（3）：9-10.

［6］ 鄒鑫，何文雪，牛杰. 基于PLC的重型H型鋼連鑄坯火焰切割系統(tǒng)設(shè)計［J］. 機械制造與自動化，2022，51（1）：225-228.

［7］ 呂振. 板材分張技術(shù)在鈑金加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用［J］. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022，58（4）：185-187.

［8］ 畢溫海，賈志新，嚴偉，等. 自動化立體料庫機械傳動系統(tǒng)FMEA分析［J］. 重慶大學學報，2019，42（9）：44-54.

［9］ 卞正其，徐朝忠，姚翔. SPL型板材沖壓加工自動生產(chǎn)線［J］. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（6）：42-45.

［10］ 廖能解，馬平，歐建國，等. 上下料桁架機器人控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 機械設(shè)計與制造，2020（12）：171-175.

［11］ 汪幫富，宋娟，趙衛(wèi)東，等. 基于PLC技術(shù)的液控分揀機械手的設(shè)計［J］. 機床與液壓，2016，44（3）：19-23.

［12］ 李建國. 基于PLC的氣動分揀裝置控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 液壓與氣動，2011（6）：83-85.

收稿日期：20220823