［摘 要］汽車三元催化器是降低尾氣排放的重要部件，針對某汽車零部件公司三元催化器自動化裝配效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，提出了一種基于PLC 的三元催化器裝配線自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)使用三菱Q 系列PLC并結(jié)合CC-Link 總線技術(shù)，對裝配線進(jìn)行自動化控制。設(shè)計(jì)完成后，通過對機(jī)械、電氣設(shè)備的安裝調(diào)試，最終的生產(chǎn)節(jié)拍為32s 左右，產(chǎn)品合格率達(dá)到了98%，滿足了生產(chǎn)要求。
［關(guān)鍵詞］裝配線；PLC ；機(jī)器人；控制系統(tǒng)
汽車的三元催化器是汽車環(huán)保關(guān)鍵裝置，一般由殼體、襯墊、載體、催化劑和涂層5 部分組成。它可以將汽車燃料消耗產(chǎn)生的3 種有毒氣體變?yōu)闊o害的CO2，H2O 和N2，作為尾氣排放出去。裝配線是一種以串行方式為導(dǎo)向的流程式系統(tǒng)工程[1]，作為一種大規(guī)模高效生產(chǎn)的組織形式，裝配線通常由若干工位以及連接這些工位的傳動裝置組成。裝配就是待裝配的產(chǎn)品按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍經(jīng)過裝配工位并將相應(yīng)的零件組裝在待裝配的對象上，最終在產(chǎn)線的末端輸出成品的過程[2]。本文通過研究PLC 控制技術(shù)并結(jié)合CC-Link 現(xiàn)場總線技術(shù)，根據(jù)三元催化器的裝配工藝，設(shè)計(jì)了一套針對該產(chǎn)品的控制系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試以及試生產(chǎn)，該控制系統(tǒng)可以更加高效地完成不同機(jī)種三元催化器的裝配，通過PLC以及CC-Link 之間的交互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，保證了三元催化器裝配線的可靠性。
1 總體方案
圖1 高效三元催化劑裝配線布局
針對某汽車零部件公司三元催化器自動化裝配效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，自主研發(fā)設(shè)計(jì)一條自動化生產(chǎn)線。本文不對整條產(chǎn)線進(jìn)行研究，僅對刻印工位后面的工序進(jìn)行研究。搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)責(zé)將刻印工位上的產(chǎn)品夾取到鎖付滑臺上，并將護(hù)蓋運(yùn)送到產(chǎn)品上，以上動作完成后，滑臺進(jìn)入鎖付工位；鎖付機(jī)器人從送螺絲定位機(jī)構(gòu)取起螺絲，將產(chǎn)品和護(hù)蓋鎖緊，鎖付完成后，滑臺退出鎖付工位后；搬運(yùn)機(jī)器人將鎖付完成的產(chǎn)品夾取到噴印工位，噴碼機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品機(jī)種、生產(chǎn)廠家等信息，噴印在護(hù)蓋上，最后產(chǎn)品由傳送帶輸送出產(chǎn)線。
高效三元催化器裝配流水線布局如圖1 所示，本文的三元催化器自動化裝配控制系統(tǒng)包括搬運(yùn)機(jī)器人、鎖付機(jī)器人、滑臺、噴碼機(jī)、傳送帶和各類傳感器等設(shè)備, 集成了執(zhí)行控制模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊[3]。執(zhí)行控制模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線所有機(jī)構(gòu)和設(shè)備的聯(lián)合控制；狀態(tài)監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)控和采集產(chǎn)線中各類傳感器的數(shù)據(jù)以及各個(gè)工位的狀態(tài)，并傳輸給PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PLC 根據(jù)傳輸過來的數(shù)據(jù)對后面的執(zhí)行控制模塊進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動化、智能化控制，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 PLC的選型
PLC選型[4] 的基本原則是在PLC 滿足產(chǎn)線系統(tǒng)控制需求的前提下，選擇后期維護(hù)方便、簡單易，于操作且性價(jià)比最高的型號。三菱PLC相比西門子PLC，編程語言更加通俗易懂，上手相對輕松，且在運(yùn)動控制上的表現(xiàn)優(yōu)于同級別其他品牌，同時(shí)三菱PLC有獨(dú)特的定位控制指令，在控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)方面更加方便。綜上考慮，本系統(tǒng)采用三菱PLC。根據(jù)三元催化器裝配產(chǎn)線生產(chǎn)要求、信號采集以及數(shù)據(jù)處理的性能，決定使用三菱Q系列PLC完成本設(shè)計(jì)[5]。
對于PLC關(guān)鍵模塊的選用，根據(jù)裝配線的需求并結(jié)合三菱PLC選型手冊確定使用三菱通用型CPU模塊（Q06UDVCPU）。三菱通用型CPU模塊具有：
?。?）生產(chǎn)效率更高。超高速處理，生產(chǎn)時(shí)間縮短，隨著應(yīng)用程序變得更大更復(fù)雜，縮短系統(tǒng)運(yùn)行周期時(shí)間是非常必要的。通過超高的基本運(yùn)算處理速度1.9n（s LD指令），可縮短運(yùn)行周期。
（2）存儲性能更好。CPU 的內(nèi)置軟元件存儲器容量增加到最多60K 字，對增大的控制、質(zhì)量管理數(shù)據(jù)也可高速處理。
?。?）故障處理方便。發(fā)生故障時(shí)也能夠迅速應(yīng)對，只需提取與問題相關(guān)的數(shù)據(jù)，不必花時(shí)間過濾大量的診斷數(shù)據(jù)，可以快速確定故障原因，并制定解決方案。
?。?）簡化程序調(diào)試，可使用待執(zhí)行條件的軟元件測試功能，在程序上的任意步上，將軟元件值更改為用戶指定值。
三菱簡單運(yùn)動模塊（QD77MS16）的性能強(qiáng)大，可以同時(shí)對16個(gè)軸進(jìn)行運(yùn)動控制；具有豐富的定位控制功能：通過直線插補(bǔ)控制、2軸圓弧插補(bǔ)控制、定長進(jìn)給控制以及連續(xù)軌跡控制等豐富的控制方式應(yīng)對各種不同的用途；可以通過PLC程序?qū)Χㄎ坏刂贰⑺俣鹊冗M(jìn)行設(shè)定，輕松實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行；通過代碼、跳過功能、單步運(yùn)行、目標(biāo)位置變更功能等輔助功能滿足用戶不同的需求；具有任意數(shù)據(jù)監(jiān)視功能；可以通過簡單運(yùn)動控制模塊對伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)的信息進(jìn)行監(jiān)視，也可以在用戶制作的畫面中顯示。可監(jiān)視的數(shù)據(jù)包括：有效負(fù)載率、再生負(fù)載率、峰值負(fù)載率、負(fù)載慣量比、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、位置反饋、絕對位置檢測器1周位置和消耗功率等。該模塊的圖形化配置簡單。使用GX Works2軟件對簡單運(yùn)動控制模塊進(jìn)行設(shè)定，只需簡單的配置和設(shè)定參數(shù)就能完成定位數(shù)據(jù)設(shè)定、同步控制、凸輪控制等設(shè)置，還能與MR Configurator2聯(lián)動進(jìn)行伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)定及調(diào)整，可以提伺服運(yùn)作的效率，系統(tǒng)容易維護(hù)。配置參數(shù)、定位數(shù)據(jù)、塊啟動數(shù)據(jù)等可以使用內(nèi)置閃存ROM保存，無需電池即可保存數(shù)據(jù)。
CC-Link網(wǎng)絡(luò)總線模塊（QJ61BT11N）是CC-link網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中用來和Q系列PLC鏈接的通訊端口。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主站通過QJ61BT11N接口模塊與各從站進(jìn)行信息交換，主站與從站之間使用鏈路掃描的方式進(jìn)行站與站之間的數(shù)據(jù)交換，采用的方式是通過模塊內(nèi)緩沖寄存器進(jìn)行自動映射，寄存器之間有專門的通信指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的鏈接掃描。該模塊具有的特點(diǎn)如下：
?。?）高速處理。最大可以達(dá)到100m的傳輸距離，并且能夠連接64個(gè)站點(diǎn)，鏈接掃描時(shí)間僅為1~5ms。
（2）連接簡單。CC-Link系統(tǒng)可以通過簡單的總線，將各種工業(yè)控制設(shè)備（限位開關(guān)、光電傳感器、變頻器、觸摸屏等）連接成統(tǒng)一的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層。還有串行通信模塊（QJ71C24N-R2）、輸入模塊（QX42）以及輸出模塊（QY42P）作為重要的組成部分，圖3為連接好的PLC 各模塊實(shí)物圖。
圖3 PLC模塊連接圖
2.2 PLC的I/O口地址分配
由于本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于整條裝配線最后兩臺機(jī)器人及其相關(guān)工位的研究，所以這里只展示操作盒以及3～5號中繼電箱的部分I/O地址分配情況。
?。?）操作盒輸入輸出模塊I/O口的地址分配。操作盒輸入輸出模塊主要是通過操作面板的數(shù)字量輸入，再經(jīng)過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而控制裝配線運(yùn)行模式的切換、暫停、急停以及各種指示燈閃爍情況。采用三菱AJ65SBTB1-32DT混合輸入輸出模塊，使用8個(gè)PLC輸入量以及9個(gè)PLC輸出量，其I/O口的部分地址分配見表1。
表1 操作盒輸入輸出模塊I/O口地址分配
?。?）3號中繼電箱輸入輸出模塊I/O口的地址分配。3號中繼電箱的輸入模塊主要是由滑臺所在限位、各氣缸的狀態(tài)和傳感器的狀態(tài)等組成，輸出模塊主要是對各個(gè)工位氣缸電磁閥的通斷和伺服電機(jī)的啟停等進(jìn)行控制，其中使用了2個(gè)三菱AJ65SBTB1-32D輸入模塊、1個(gè)AJ65SBTB1-32D輸入輸出模塊以及1個(gè)AJ65SBTB1-32T輸出模塊，使用了69個(gè)PLC輸入量和28個(gè)PLC輸出量。
?。?）4號中繼電箱輸入輸出模塊I/O口的地址分配。4號中繼電箱輸入模塊的信號主要由噴印機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)、噴印工位氣缸以及相關(guān)傳感器的I/O等組成，輸出模塊主要對噴印流程中的各個(gè)機(jī)構(gòu)動作進(jìn)行控制，其中使用了2個(gè)輸入模塊：AJ65SBTB1-32D 和AJ65SBTB1-16D，一個(gè)輸出模塊：AJ65SBTB1-32T，使用了38個(gè)PLC輸入量和20個(gè)PLC輸出量。
?。?）5號中繼電箱輸入輸出模塊I/O口的地址分配。5號中繼電箱的輸入模塊主要是由搬運(yùn)機(jī)器人和鎖付機(jī)器人的輸出信號以及螺絲定位機(jī)構(gòu)相關(guān)的氣缸狀態(tài)、傳感器狀態(tài)組成，輸出模塊則是由兩個(gè)機(jī)器人的輸入信號以及控制相關(guān)機(jī)構(gòu)氣缸作出動作的信號組成，從而控制機(jī)器人完成一系列工作。其中使用了3個(gè)輸入模塊：AJ65SBTB1-32D×3，3個(gè)輸出模塊：AJ65SBTB1-32TE1×2、AJ65SBTB1-32T，使用了96個(gè)PLC輸入量和82個(gè)PLC輸出量。
2.3 觸摸屏的選型
觸摸屏是一種人機(jī)界面（Human Machine Interface），可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，控制產(chǎn)線中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，對產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和共享等功能。由于本設(shè)計(jì)采用的PLC模塊為三菱系列，為了方便它們之間的通信連接并保證穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，采用具有以太網(wǎng)接口的GS2110-WTBD-N觸摸屏。如圖4所示，將觸摸屏界面設(shè)計(jì)好，并與產(chǎn)線系統(tǒng)連接，可以對裝配線進(jìn)行I/O監(jiān)控、報(bào)警處理、查看生產(chǎn)信息等操作，在輸入密碼獲得權(quán)限后可以對產(chǎn)線工位的參數(shù)以及部分流程進(jìn)行更改。
圖4 產(chǎn)線觸摸屏界面圖
3 機(jī)器人的應(yīng)用
機(jī)器人作為本裝配產(chǎn)線最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，負(fù)責(zé)產(chǎn)品的搬運(yùn)以及螺絲鎖付工作。本裝配線選用廣州數(shù)控機(jī)器人，型號為GSK-RB35以及GSK-RB50，具體參數(shù)見表2。
表2 機(jī)器人參數(shù)
3.1 機(jī)器人I/O定義
裝配線中大多數(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是由PLC控制，機(jī)器人與PLC之間通過物理I/O進(jìn)行通信。因此，在調(diào)試前期需要對機(jī)器人的I/O與PLC側(cè)進(jìn)行信號約定。這樣PLC通過對外部傳感器的信號進(jìn)行分析處理后再將其作為信號輸出，從而控制機(jī)器人的動作。GSK-RB35型機(jī)器人內(nèi)部共有32個(gè)輸入和輸出信號，每一個(gè)I/O信號的地址分別對應(yīng)一個(gè)機(jī)器人的輸入輸出指令。如機(jī)器人輸入端口X0.8對應(yīng)機(jī)器人指令里面的IN8，當(dāng)PLC側(cè)給機(jī)器人側(cè)的X0.8發(fā)出一個(gè)高電平信號，相應(yīng)的IN8也會接通，由此來控制機(jī)器人的動作。由于機(jī)器人程序的加載方式采用正常加載的方式，在該型號機(jī)器人的32個(gè)I/O口中，IN0～I(xiàn)N7（OT0～OT7）為系統(tǒng)定義的信號，IN8～I(xiàn)N32（OT8～OT32）是可以由用戶自定義的信號。系統(tǒng)定義的信號主要是系統(tǒng)急停信號、暫停信號、運(yùn)行信號、伺服準(zhǔn)備信號等表示機(jī)器人所處狀態(tài)的信號，用戶自定義信號是用戶為了達(dá)到某些需要的功能而定義的I/O。搬運(yùn)機(jī)器人部分自定義的I/O 見表3。
表3 搬運(yùn)機(jī)器人部分自定義I/O
表3 中每一個(gè)自定義的信號都需要不斷調(diào)試，否則會導(dǎo)致機(jī)器人做出錯誤的動作，造成人力、物力的消耗。
3.2 機(jī)器人與PLC以及觸摸屏之間的關(guān)系
機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成整條產(chǎn)線的搬運(yùn)和鎖付工作；PLC作為主控制器協(xié)調(diào)現(xiàn)場各機(jī)構(gòu)和執(zhí)行器的配合工作；觸摸屏作為產(chǎn)線的監(jiān)控設(shè)備，讓操作人員可以更加便利地對產(chǎn)線進(jìn)行操作，更加便捷地查看產(chǎn)線的狀態(tài)以及生產(chǎn)信息；現(xiàn)場總線則作為產(chǎn)線中各種控制信號、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間信息傳遞的媒介。三者之間關(guān)系如圖5所示。
圖5 機(jī)器人與PLC以及觸摸屏之間關(guān)系
3.3 機(jī)器人動作邏輯的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要描述整條產(chǎn)線的最后兩個(gè)機(jī)器人的工位，分別以搬運(yùn)機(jī)器人和鎖付機(jī)器人來命名。如圖6所示，搬運(yùn)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了兩個(gè)末端執(zhí)行器，分別是一個(gè)通過氣缸控制的夾爪和一個(gè)吸盤。搬運(yùn)機(jī)器人的任務(wù)就是將上一工位完成的產(chǎn)品用夾爪夾取到鎖付滑臺，然后將護(hù)蓋通過吸盤運(yùn)送到產(chǎn)品上。鎖付合格/不合格的產(chǎn)品還需要由搬運(yùn)機(jī)器人同樣用夾爪搬運(yùn)到噴印工位或NG皮帶上，通過鎖付機(jī)器人的伺服擰緊機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)信號，傳達(dá)給PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)處理判斷是否合格。
圖6 搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器效果圖
鎖付機(jī)器人的任務(wù)就是從送螺絲機(jī)構(gòu)將螺絲取出來并將護(hù)蓋與產(chǎn)品鎖緊，鎖付機(jī)器人的動作邏輯如圖7 所示。為了減少機(jī)器人取螺絲的次數(shù)，提高鎖付效率，鎖付機(jī)器人共安裝3 個(gè)伺服擰緊機(jī)構(gòu)，整個(gè)流程下來需要取兩次螺絲，如圖8所示。
圖7 鎖付機(jī)器人動作邏輯
圖8 鎖付機(jī)器人伺服擰緊機(jī)構(gòu)
4 現(xiàn)場調(diào)試
三元催化器裝配線控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試涉及多種機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)，如機(jī)器人、刻印機(jī)、鎖付治具、伺服擰緊機(jī)構(gòu)、振動送料裝置等，要讓這些機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到廠家要求的生產(chǎn)狀態(tài)需要大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。經(jīng)過現(xiàn)場不斷對PLC 程序、機(jī)器人程序的調(diào)試以及對機(jī)器人動作的修訂，該裝配線控制系統(tǒng)已經(jīng)可以在現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行，且能夠達(dá)到一個(gè)較好的節(jié)拍以及生產(chǎn)合格率。實(shí)際生產(chǎn)過程中的節(jié)拍可以達(dá)到32s，滿足客戶要求，生產(chǎn)合格率達(dá)到98%。
5 結(jié)語
本研究基于企業(yè)的生產(chǎn)需求，完成了三元催化器自動化裝配線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用PLC總控技術(shù)結(jié)合CCLink總線技術(shù)設(shè)計(jì)了一套控制方案，根據(jù)該方案開發(fā)了控制系統(tǒng)。根據(jù)方案對PLC的各個(gè)模塊以及觸摸屏等硬件進(jìn)行選型和配置，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人的程序流程，通過現(xiàn)場調(diào)試與試運(yùn)行，安全系數(shù)、節(jié)拍以及合格率均滿足生產(chǎn)需求。對比實(shí)際使用效果，使用本文的I/O模塊占用空間更小，節(jié)省的分線模塊空間可用于安裝其他部件。使用西門子I/O模塊PP72/48的電柜實(shí)際布局如圖7所示，本文使用的國產(chǎn)I/O 模塊的電柜布局如圖8所示。
