基于PLC的柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘"要：為滿足板料自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)、出庫(kù)、上料與下料等，設(shè)計(jì)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(kù)、送料小車、出料小車與上下料桁架機(jī)器人組成。在McgsPro下完成控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，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(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，還可以通過(guò)上位機(jī)畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)。通過(guò)實(shí)際程序調(diào)試得出：各機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，能夠滿足板料的自動(dòng)出入庫(kù)與上下料功能，提高了生產(chǎn)效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)：TP278;TP242""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號(hào)：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(jī)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(guó)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(jìn)步，各行業(yè)對(duì)鈑金加工產(chǎn)品的需求也在不斷增長(zhǎng)，為鈑金加工企業(yè)提供了很大的商機(jī)［1-3］。但國(guó)內(nèi)鈑金加工上下料生產(chǎn)線需要人工編號(hào)存儲(chǔ)板料，人工完成板材出庫(kù)，對(duì)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(lái)越注重自動(dòng)化及柔性化生產(chǎn)［4-5］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的柔性上下料生產(chǎn)線包括立體料庫(kù)、送料小車、出料小車及上下料桁架機(jī)器人，能夠完全實(shí)現(xiàn)板材的自動(dòng)出入庫(kù)與上下料等功能。控制系統(tǒng)是以PLC為主控單元，選擇氣動(dòng)元件、異步電機(jī)與伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)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(yùn)行方案。完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)［6］。該柔性生產(chǎn)線無(wú)需人工勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，提高了生產(chǎn)效率，具有很高的實(shí)用價(jià)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(jī)從立體料庫(kù)中取出物料托盤，放置于立體料庫(kù)最下層的送料小車上，送料小車移動(dòng)至上料位置，再由上下料桁架機(jī)器人吸取托盤中的板材，通過(guò)真空吸盤與氣缸完成對(duì)板材的分層與測(cè)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(jī)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(dòng)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(jī)器人

該生產(chǎn)線中的上下料桁架機(jī)器人為兩軸機(jī)器人，主要由C柱、橫梁（x軸）、豎梁（z軸）、桁架機(jī)械手（真空吸盤、料叉和氣缸等）以及傳動(dòng)系統(tǒng)（齒輪齒條機(jī)構(gòu)）組成。桁架機(jī)械手通過(guò)真空吸盤實(shí)現(xiàn)板材取放功能并配有分層裝置和測(cè)厚裝置。測(cè)厚裝置由電磁閥組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的測(cè)厚操作；分層裝置由電磁閥與真空吸盤組成，通過(guò)分層吸盤的不同頻率吸放板材，實(shí)現(xiàn)每次只取單張板材的功能。桁架機(jī)器人通過(guò)x軸橫梁和z軸豎梁的移動(dòng)來(lái)實(shí)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(kù)

立體料庫(kù)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(chǔ)與運(yùn)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(kù)為8層料庫(kù)，主要由升降機(jī)、物料托盤（板材儲(chǔ)放）、料庫(kù)本體以及傳動(dòng)系統(tǒng)（齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）組成。升降機(jī)通過(guò)水平鏈條實(shí)現(xiàn)物料托盤的入庫(kù)和出庫(kù)的功能，升降機(jī)通過(guò)垂直鏈條實(shí)現(xiàn)物料托盤上下移動(dòng)的功能。

2"柔性上下料系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

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(jī)器人和立體料庫(kù)對(duì)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(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)定位控制。其部分技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。立體料庫(kù)中物料托盤與其儲(chǔ)存板材總質(zhì)量超過(guò)3t，因此需降低其移動(dòng)速度來(lái)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

2.2"控制要求

為了滿足生產(chǎn)線實(shí)際要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性、穩(wěn)定性、人機(jī)交互功能以及良好的實(shí)時(shí)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(guò)輸出脈沖對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)反饋信息給伺服驅(qū)動(dòng)器并進(jìn)行校正，從而使立體料庫(kù)與機(jī)器人精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)至設(shè)定的位置，最終完成整條生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將立體料庫(kù)與機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息傳遞給HMI，通過(guò)觸摸屏可直接對(duì)立體料庫(kù)與機(jī)器人進(jìn)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(jì)與控制要求，柔性上下料生產(chǎn)線流程主要分為4個(gè)步驟，板材的出庫(kù)、送料小車的搬運(yùn)、上下料機(jī)器人的上料以及出料小車的搬運(yùn)。具體工作流程如下。

1）板材的出庫(kù)：立體料庫(kù)接收到PLC的出庫(kù)信號(hào)后，料庫(kù)鎖緊氣缸打開(kāi)，升降機(jī)垂直軸運(yùn)動(dòng)，升到對(duì)應(yīng)板材庫(kù)層的高度，通過(guò)水平料勾軸的運(yùn)動(dòng)，將托盤與板材拉至升降機(jī)上，升降機(jī)下降至送料小車高度，再由料勾運(yùn)動(dòng)，將托盤與板材拉運(yùn)至送料小車上。

2）送料小車的搬運(yùn)：小車接收到托盤到位的信號(hào)后，小車鎖緊氣缸打開(kāi)，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在第一個(gè)限位開(kāi)關(guān)處減速，在第二個(gè)限位開(kāi)關(guān)處停止，等待上料。

3）上下料機(jī)器人的上料：接收到小車到位信號(hào)后，上下料機(jī)器人z軸向下運(yùn)動(dòng)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(cè)厚工作，然后機(jī)器人x軸運(yùn)動(dòng)至出料小車上方，z軸向下運(yùn)動(dòng)至下料高度，打開(kāi)叉齒，放置板材于出料小車上。

4）出料小車的搬運(yùn)：小車接收到板材下料完成信號(hào)后，運(yùn)動(dòng)至激光切割機(jī)處，等待切割。

3"柔性上下料系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)組成?？刂破髯鳛橄到y(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)脈沖指令發(fā)送、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)計(jì)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(dòng)識(shí)別總線系統(tǒng)的功能，能夠自動(dòng)切換到相應(yīng)的工作模式，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔和高度集成化。系統(tǒng)配備3個(gè)EL1809和2個(gè)EL2809倍福數(shù)字量模塊，每個(gè)數(shù)字量模塊含有16個(gè)數(shù)字信號(hào)，來(lái)完成信號(hào)的輸入與輸出，如表3所示。

3.2"氣動(dòng)元件選型

氣動(dòng)控制元件選擇兩位三通電磁閥與兩位五通電磁閥，氣動(dòng)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(jī)器人利用兩位三通電磁閥控制真空吸盤實(shí)現(xiàn)取放板材的功能，利用兩位五通電磁閥控制3個(gè)氣缸分別實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)得板材厚度與單層厚度進(jìn)行對(duì)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(dòng)器與伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)速度、位置等的補(bǔ)償［12］，用在上下料桁架機(jī)器人水平軸與垂直軸的齒輪齒條運(yùn)動(dòng)以及立體料庫(kù)料勾軸與升降機(jī)軸的齒輪齒條運(yùn)動(dòng)；變頻器與異步電機(jī)組成的變頻系統(tǒng)通過(guò)限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制極限位置，用在小車與桁架機(jī)械手的鏈輪鏈條運(yùn)動(dòng)控制。其中，上下料桁架機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)板材精準(zhǔn)位置的上下料，立體料庫(kù)主要實(shí)現(xiàn)板材精準(zhǔn)位置的出庫(kù)與入庫(kù)。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(yùn)行過(guò)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(jī)。該觸摸屏擁有十分強(qiáng)大的Cortex-A7多核處理器，工作主頻高達(dá)1GHz，同時(shí)裝了McgsPro組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制等功能，主要可以實(shí)時(shí)顯示立體料庫(kù)與上下料桁架機(jī)器人的位置與運(yùn)行狀況等信息，系統(tǒng)出故障時(shí)人機(jī)交互頁(yè)面會(huì)及時(shí)顯示相應(yīng)的報(bào)警信息。實(shí)物接口如圖5所示。

4"柔性上下料系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)上下料機(jī)器人與立體料庫(kù)功能的重要保障，其目標(biāo)是將需要的各種功能有序組織起來(lái)，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(jì)

根據(jù)生產(chǎn)線的動(dòng)作順序，將立體料庫(kù)與送料小車作為第1個(gè)單元模塊，配置1個(gè)電氣柜與觸摸屏；將上下料機(jī)器人與出料小車作為第2個(gè)單元模塊，配置1個(gè)電氣柜與觸摸屏。然后在TwinCAT軟件中對(duì)單元模塊進(jìn)行PLC編程。由于輸入輸出信號(hào)較多，控制過(guò)程比較復(fù)雜，因此對(duì)模塊的PLC程序進(jìn)行功能劃分：料勾出入庫(kù)運(yùn)動(dòng)、升降機(jī)上下運(yùn)動(dòng)、小車運(yùn)動(dòng)、上料與下料運(yùn)動(dòng)功能塊以及報(bào)警、測(cè)厚、限位與復(fù)位等功能塊。分別對(duì)功能塊進(jìn)行PLC程序編寫，使得程序邏輯清晰。再將程序設(shè)計(jì)為3種運(yùn)行控制模式：自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下，支持各種動(dòng)作編輯以及參數(shù)設(shè)置，主要用在程序調(diào)試場(chǎng)合。在半自動(dòng)模式下，可根據(jù)手動(dòng)模式下設(shè)置好的參數(shù)分別進(jìn)行各個(gè)運(yùn)動(dòng)功能塊的運(yùn)行，檢測(cè)各個(gè)部件進(jìn)行的流暢性以及程序的合理性。在自動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程。ST語(yǔ)言相比于其他語(yǔ)言，具有良好的跨平臺(tái)移植性、方便的數(shù)學(xué)計(jì)算、輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法、輕松進(jìn)階計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言與注釋方便等優(yōu)點(diǎn)，因此PLC編程使用ST語(yǔ)言。

4.2"人機(jī)交互頁(yè)面

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

5"試驗(yàn)測(cè)試

柔性上下料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)生產(chǎn)線機(jī)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(dòng)器的參數(shù)，將計(jì)算機(jī)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(guò)數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的通信。然后在觸摸屏上進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如最大速度、最大加速度、正負(fù)最大限位和原點(diǎn)位置等。根據(jù)柔性上下料生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)順序在不同觸摸屏中進(jìn)行操作，對(duì)每個(gè)輸入輸出點(diǎn)、PLC程序模塊與操作方式進(jìn)行調(diào)試。通過(guò)手動(dòng)模式單獨(dú)執(zhí)行立體料庫(kù)的水平鏈條與垂直鏈條的動(dòng)作，確保其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大的振動(dòng)與沖擊。單獨(dú)執(zhí)行小車的運(yùn)動(dòng)，確?？梢匝仡A(yù)設(shè)路徑準(zhǔn)確運(yùn)行，在限位開(kāi)關(guān)處也可以及時(shí)減速與停住。單獨(dú)執(zhí)行上下料桁架機(jī)器人的x軸與z軸的運(yùn)動(dòng)，保證其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且精確。單獨(dú)控制執(zhí)行桁架機(jī)械手的真空吸盤與氣缸，能準(zhǔn)確完成板材的吸取與分層測(cè)厚等功能。保存手動(dòng)模式下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)信息，如圖7所示，為自動(dòng)模式提供數(shù)據(jù)參考。

在半自動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)可以順利完成板材的出庫(kù)、入庫(kù)、上料與下料等單個(gè)模塊的動(dòng)作，最后在自動(dòng)模式下運(yùn)行，控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確完成整條柔性上下料生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)觸摸屏上數(shù)據(jù)顯示，立體料庫(kù)與上下料機(jī)器人均可滿足速度與重復(fù)定位精度的要求，其上下料機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行界面如圖8所示。

6"結(jié)語(yǔ)

1）首先對(duì)柔性上下料生產(chǎn)線的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了以立體料庫(kù)、上下料機(jī)器人與小車為主體的全自動(dòng)化柔性上下料生產(chǎn)線。然后對(duì)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)線要求設(shè)計(jì)了以伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)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(jìn)行了電氣元件的選型、HMI人機(jī)界面的編輯以及PLC程序的編輯。

2）實(shí)際程序調(diào)試表明，基于PLC控制系統(tǒng)的立體料庫(kù)與上下料桁架機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不僅具有高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，還滿足速度以及重復(fù)定位精度的實(shí)際要求。因此，該控制系統(tǒng)可滿足板料自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)、出庫(kù)、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(yùn)、存儲(chǔ)與出庫(kù)等問(wèn)題，形成了一套完整的自動(dòng)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(shí)用價(jià)值。

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收稿日期：20220823