基于PLC及觸摸屏的C型材機(jī)下料碼垛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏曉謙 邱熹程 李林星 黃 輝

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

自動(dòng)化碼垛機(jī)在物流輸送、機(jī)械加工、元件裝配等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，自動(dòng)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(shí)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(jìn)行。

為了解決該難題，本課題設(shè)計(jì)、研究了一套基于信捷PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)碼垛設(shè)備，用于該企業(yè)中C型鋼工件的自動(dòng)碼垛。該設(shè)備以氣動(dòng)為主要?jiǎng)恿υ?，結(jié)合部分傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，采用伺服系統(tǒng)控制三軸移動(dòng)，通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)C型材的精準(zhǔn)碼垛。該自動(dòng)碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)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(lái)，具有極好的實(shí)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(yùn)小車、龍門(mén)架、龍門(mén)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(dòng)器等[2]。其中，C型材由底部旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行抓取定位，直線導(dǎo)軌進(jìn)行X軸運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(duì)變徑軋輥組成，通過(guò)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(dòng)推板將其推至內(nèi)側(cè)，再由縱向氣缸驅(qū)動(dòng)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(mén)架、連接板、安裝板、機(jī)電架、連接梁、感應(yīng)片、連接片、緩沖塊。通過(guò)控制3個(gè)模組和氣缸夾爪將C型材搬運(yùn)至預(yù)定地點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控單元硬件選型與設(shè)計(jì)

根據(jù)碼垛機(jī)運(yùn)動(dòng)控制要求，初步得出22個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)、24個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)，考慮到三軸伺服驅(qū)動(dòng)，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(huì)做進(jìn)一步的拓展，根據(jù)經(jīng)濟(jì)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(dá)0.01～0.03 us），掃描時(shí)間10 000步1 ms，程序容量最高達(dá)1.5 MB（XDH高達(dá)4 MB）。資源量最多可達(dá)8 000點(diǎn)非掉電保持流程S、1 000點(diǎn)掉電保持流程HS、70 000點(diǎn)非掉電保持中間繼電器M、12 000點(diǎn)掉電保持中間繼電器HM、1 280點(diǎn)輸入繼電器X、1 280點(diǎn)輸出繼電器Y、5000點(diǎn)非掉電保持定時(shí)器T、2 000點(diǎn)掉電保持定時(shí)器HT、5 000點(diǎn)非掉電保持計(jì)數(shù)器C、2 000點(diǎn)掉電保持計(jì)數(shù)器HC、70 000點(diǎn)數(shù)非掉電保持據(jù)寄存器D、25 000點(diǎn)數(shù)掉電保持據(jù)寄存器HD、8192點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為60個(gè)。

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(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)、插補(bǔ)、隨動(dòng)等運(yùn)動(dòng)控制功能，可接擴(kuò)展模塊、擴(kuò)展ED、擴(kuò)展BD。根據(jù)系統(tǒng)控制要求得出系統(tǒng)總共需要30個(gè)24VDC的輸入信號(hào)響應(yīng)，18個(gè)信號(hào)輸出，其中15個(gè)繼電器輸出，3個(gè)晶體管輸出，用于控制三路伺服系統(tǒng)，實(shí)際點(diǎn)數(shù)根據(jù)30%余量計(jì)算，該P(yáng)LC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(kāi)始、調(diào)試、自動(dòng)化運(yùn)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(jì)性，決定選用信捷TK8071ip觸摸屏作為系統(tǒng)人機(jī)界面，構(gòu)成了控制終端。

伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)部分，考慮到電路的安全性，除總開(kāi)關(guān)進(jìn)行總控制外，觸摸屏、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備均有單獨(dú)開(kāi)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(jī)系統(tǒng)PLC程序分析

PLC程序在信捷PLC操作平臺(tái)上采用梯形圖進(jìn)行開(kāi)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(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、碼垛運(yùn)動(dòng)控制、下料定位控制。因此程序采用模塊式設(shè)計(jì)方式，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、碼垛運(yùn)動(dòng)控制、下料定位控制分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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(yùn)動(dòng)控制主要為三軸模組伺服驅(qū)動(dòng)，通過(guò)順序控制子模塊進(jìn)行控制，由回原點(diǎn)→就位抓取→回初始位置→X位置移動(dòng)→Y方向移動(dòng)→Z方向移動(dòng)→返回運(yùn)動(dòng)→等待→循環(huán)進(jìn)行，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖3、圖4。下料定位控制程序塊主要完成取料點(diǎn)和下料點(diǎn)的計(jì)算，本模塊通過(guò)對(duì)下一個(gè)C型材的行列序號(hào)對(duì)三軸模組的位移進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算值導(dǎo)入順控指令中達(dá)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)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(xì)步驟

2.3 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)開(kāi)始界面、設(shè)備調(diào)試檢修界面、設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行界面、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和其他界面的設(shè)計(jì)。通過(guò)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(diǎn)位以及數(shù)據(jù)區(qū)的信息進(jìn)行鏈接，達(dá)到呈現(xiàn)、交互、控制等目的。通過(guò)數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)積累和計(jì)算可以得出設(shè)備的歷史情況，從而優(yōu)化后續(xù)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)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(yùn)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(hào)調(diào)試、三軸伺服調(diào)試、氣缸等驅(qū)動(dòng)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(hào)相應(yīng)測(cè)試等功能。系統(tǒng)運(yùn)行主界面主要實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行情況下各個(gè)信號(hào)的及時(shí)狀態(tài)、產(chǎn)品堆垛及時(shí)情況、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)界面可對(duì)之前碼垛的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本次項(xiàng)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(dá)到120根/小時(shí)的工作量。經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行，整個(gè)設(shè)備運(yùn)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(méi)有發(fā)生損毀現(xiàn)象，以其操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠、自動(dòng)化程度高、碼垛準(zhǔn)確等特點(diǎn)，得到合作企業(yè)的好評(píng)。