基于Q系列PLC和CC-Link的工件傳送系統(tǒng)設(shè)計

陳銳鴻，施志敏

（1.華南理工大學 廣州學院機械工程學院，廣州 510800；2.華南理工大學 廣州學院工程研究院，廣州 510800）

0 引言

工件傳送系統(tǒng)（Workpiece Transport System，WTS）[1]是工廠實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的重要組成部分，傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，在車間內(nèi)部長距離的傳輸，通常使用自動引導(dǎo)小車（Automatic Guide Car，AGV），對于物料的配送非常合適，但仍然需要機械手或人工進行上下料，相應(yīng)的運行空間也較大[2]，對于生產(chǎn)車間高度集中的地方，AGV具有非常大的局限性，不能有效地施展工作。當前在機床加工實現(xiàn)了使用工業(yè)機器人來取放工件，達到了單機的上下料自動化[3]，由此每臺機床仍然需要配備相應(yīng)的人員來搬運加工前和加工后的工件，這個工作量對于大型的加工廠來說仍然是非常大。在中國制造2025的背景下，以實現(xiàn)工廠自動化為出發(fā)點，將各個加工單元進行有效串聯(lián)，構(gòu)建一個智能的無人車間，采用工件自動傳送系統(tǒng)成為首要任務(wù)[4]。本文將組合機床的工件上下料，機床間的工件傳送、工件去毛刺、清洗工序通過傳送系統(tǒng)完成。

1 系統(tǒng)介紹

傳送系統(tǒng)的構(gòu)成：

1）輥道輸送機構(gòu)

輥道輸送機構(gòu)[5]用于傳送工件，采用變頻器加電機控制各個區(qū)間的輥道運行。由于傳送區(qū)間較長，達20米，采用6個電機傳動。輥道之間采用鏈條連接，如圖2所示。

2）擋料機構(gòu)

圖1 車間布置圖

圖2 工件擋料機構(gòu)設(shè)計

擋料機構(gòu)[6]是在工件上料時，將后方的來料阻擋，以騰出上料的空間提供給機械手上料的一種機構(gòu)，如圖2所示。該機構(gòu)由工件檢測傳感器、前阻擋氣缸和后阻擋氣缸及氣缸的上下限位傳感器組成。當傳感器檢測到有工件，且沒有上料信號時，后阻擋氣缸下降，下降到位，前阻擋氣缸上升，放出一個工件。當接收到機械手放料信號時，前阻擋氣缸不動作，待放料區(qū)間的傳感器檢測到?jīng)]有工件時，發(fā)出一個可放料信號，機械手執(zhí)行放料。放料完成后，機械手提供放料完成信號，傳送帶重新啟動工件，工件傳送恢復(fù)正常。

3）上料機械手

上料區(qū)域控制由阻擋工件進行控制，當需要空出上料區(qū)域時，通過阻擋機構(gòu)將區(qū)域空出，以便提供給機械手上料使用。機械手采用三軸桁架結(jié)構(gòu)，采用伺服系統(tǒng)控制[8]，實現(xiàn)上料、下料的自動化。機械手運行流程如圖3所示。

圖3 工件傳送系統(tǒng)（WTS）工作流程圖

4）工件判別機構(gòu)

工件判別是指由于車間是同時操作生產(chǎn)不同的工件，組合機床工件輸送到下一工位時，需要判別工件的類型，采用大小與高低作為工件的識別特征。通過氣缸的限位傳感器，能有效識別出工件的特征。工件機構(gòu)采用橫向和縱向兩個氣缸，分別判別工件的大小和高低，通過組合來識別工件的種類，機構(gòu)如圖4所示。

5）儲道分流機構(gòu)

傳送系統(tǒng)末端有不同的分流道，工件識別后根據(jù)垢分流到相應(yīng)的料道，進行再加工。分流機構(gòu)設(shè)計為阻擋機構(gòu)和撥料機構(gòu)，將不同的工件分向兩個不同的儲料道，分流機構(gòu)采用傳感器檢測到位，氣缸執(zhí)行撥料的工作方法。

圖4 工件判別機構(gòu)

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

WTS的控制器采用的是三菱Q系列PLC，Q系列PLC是三菱的中、大型PLC系列產(chǎn)品，采用模塊化架構(gòu)，根據(jù)需要選擇模塊，其性能優(yōu)秀，可以適用于各種復(fù)雜機械、自動生產(chǎn)線的控制[7]。它具有可擴展性強、節(jié)省成本、安裝方便、集成功能強、設(shè)備兼容性強等特點。

三軸機械手采用QD77MS4定位控制模塊，三菱Q系列PLC采用的是模塊化設(shè)計，其組成有電源模塊、基板、CPU模塊、以及輸入/輸出模塊組成，每一個模塊都需要安裝在基板上進行使用[9]。根據(jù)整個傳送系統(tǒng)的控制需求對CPU模塊進行選型，其PLC構(gòu)成如圖5所示，表1是PLC各個模塊選型情況及IO分配。

圖5 PLC模塊組態(tài)

表1 PLC各個模塊選型情況及IO分配

工件傳送系統(tǒng)配備普洛菲斯PFXGP4402WADW七寸寬屏觸摸屏，用于設(shè)備的操作和顯示設(shè)備報警。同時觸摸屏的主菜單可以進行不同的操作，如：生產(chǎn)模式選擇、運行參數(shù)設(shè)置、警報處理、機種切換、IO顯示等功能。控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

3 WTS系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 手動程序設(shè)計

手動程序設(shè)計主要包括：氣缸的手動動作、可放料的手動信號，為了使用各個氣缸不會互相干涉，采取觸發(fā)條件+動作條件，然后再輸出執(zhí)行氣缸的編程方法。將氣缸的動作許可在動作條件端設(shè)置。手動放料信號主要是在機械手調(diào)試或者傳送帶沒有動作時，由人工提供可放料信號給機械手，執(zhí)行機械手的放料程序。手動編程方法如圖7所示。

圖7 手動控制程序

3.2 自動程序

3.2.1 傳動電機自動啟動

電機是傳送系統(tǒng)的動力來源，因為自動程序時，必須保證電機在運行中，當自動啟動后，電機將工件往前傳送。當出現(xiàn)緊急報警時，傳送帶會立即停止，如遇工件卡住等情況，電機的電流會過載，發(fā)出報警停機。

3.2.2 自動程序

阻擋模塊是工件傳送系統(tǒng)與8組機械手協(xié)同工件，當機械手需要放料時，機械手發(fā)出信號，工件傳送系統(tǒng)準備好放料的條件，后擋下，前擋上。工件不放料，機械手收到可放料信號后，執(zhí)行放料。

阻擋模塊的自動程序分兩種情況，一是沒有放料信號時，傳感器檢測到工件后，按前下后上，工件走過以后，后下前上的控制流程。二是接收到放料信號時，后氣缸到達后限位后，前擋氣缸不動作，等待放料完成后，恢復(fù)第一種情況工作。

3.2.3 工件判別程序

工件判別[12]，依據(jù)工件的尺寸，在工件判斷機構(gòu)自動地判別工件的種類，然后將工件按設(shè)置的通道分揀。由于工件的高度和大小總是有差異的，根據(jù)工件的組合判斷可以識別出工件的種類，程序如圖8所示。

圖8 工件種類判別程序

3.3 原點復(fù)位

當設(shè)備需要啟動自動運行時，需要先檢測整個傳送系統(tǒng)是否處于原點，避免程序執(zhí)行時，每個動作未能正確執(zhí)行。系統(tǒng)主要通過安裝在氣缸上的傳感器檢測每個氣缸是否在原點，從而確認系統(tǒng)是否在原點，復(fù)位必須在手動狀態(tài)下才能啟動。

3.4 運行參數(shù)設(shè)置與模式選擇

機床根據(jù)定單加工不同的工件，在傳送帶后面需要將工件進行識別和分揀，每個工位需要設(shè)置其要傳送的工件類型，以及不同的工件從不同的出料口輸出。

圖9 機種切換操作界面

A儲料道和B儲料道工件的選擇，通過機種切換功能可以將判別工件分別輸送到指定的通道。圖9是機種切換操作界面。

4 緊急停止及異常報警

緊急停止[10]是在系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛉藶椴僮髟O(shè)備緊急停止的情況下運行，以保障設(shè)備和操作人員的安全的功能。緊急停止分為人為操作緊急停止和系統(tǒng)異常停止，人為操作緊急停止包括安全門打開、急停按鈕按下；系統(tǒng)異常急停包括變頻器異常、氣壓報警、傳感器故障、系統(tǒng)未在原點等情況。在系統(tǒng)運行前需清除所有異常狀況，才能自動運行，如果運行時發(fā)生異常，系統(tǒng)需立即停機，并進行異常去除。

異常報警[11]是一個設(shè)備非常重要的功能，設(shè)備正常時，設(shè)備才可以正常運行。設(shè)備出現(xiàn)異常時，程序能發(fā)出相應(yīng)的報警信號，提示操作人員，設(shè)備異常。設(shè)備的異常有變頻器異常、氣壓異常、氣缸異常、系統(tǒng)不在原點、上次啟動判別后的工件未排除、A料道與設(shè)置不符、B料道與設(shè)置不符和工件異常等情況，當出現(xiàn)上面任一異?，F(xiàn)象，設(shè)備將發(fā)出異常報警信號，整個傳送系統(tǒng)會立即停止，待異常排除后，按復(fù)位后才能消除報警。

5 結(jié)束語

基于Q系列PLC和CC-Link現(xiàn)場總線多機床工位間工件傳送系統(tǒng)是實現(xiàn)多工位串聯(lián)，不同工件同時生產(chǎn)傳送控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過在某汽車配件廠的生產(chǎn)運行，效果良好，運行穩(wěn)定，經(jīng)濟效益得到顯著提升。通過傳送系統(tǒng)將多個組合機床串聯(lián)起來，可以有效改善現(xiàn)有的單機自動化的模式，提升整車間協(xié)同生產(chǎn)的效率，向無人工廠的模式邁進了重要一步。工件傳送系統(tǒng)在多工件組合機床車間的運用，也可以給其他的多工位生產(chǎn)車間提供參考。