基于PLC的涂胶粘接生产线控制系统设计

杨志方,孙小兵,彭新显,危必波 (武汉工程大学电气信息学院,湖北 武汉 430205)

基于PLC的涂胶粘接生产线控制系统设计

杨志方,孙小兵,彭新显,危必波 (武汉工程大学电气信息学院,湖北 武汉 430205)

涂胶粘接是工业生产中的重要环节,传统的手工涂胶存在诸多的问题,采用机器人涂胶成为提高涂胶质量和生产效率的有效途径。设计了一种基于PLC的涂胶粘接生产线控制系统:涂胶粘接生产线主要由清洗烘干、加强圈和镜座涂胶粘接、三层常温高温固化线、前环涂胶粘接、回转线、连接体涂胶粘接、链传动线以及视觉系统组成;软件编程分为Fama View组态编程、PLC编程、触摸屏编程以及YAMAHA工业机器人编程4个部分。实践表明,该控制系统能够满足实际生产需要,切实改善了生产环境,提高了产品的生产质量。

PLC;涂胶粘接生产线;控制系统

涂胶粘接是工业生产中极其重要的环节,涂胶质量的好坏直接影响产品最终的质量。传统的涂胶粘接都是采用人工的方法,工人凭借个人的经验进行涂胶粘接,由于工人熟练程度和生产经验的差异,胶膜厚度无法稳定控制,难以保证涂胶的质量。另外,生产环境的恶劣以及胶水主要成分的含毒性严重影响着工人的身心健康[1-2],加上近年来工业的迅猛发展,出现招工困难,人力成本急剧上升的情况。因此,利用高新技术代替传统人工涂胶粘接是十分必要的。下面,笔者设计了一种基于S7-200PLC涂胶粘接生产线控制系统,涂胶粘接生产线最主要的功能是实现加强圈、镜座、前环和连接体4个部件涂胶和粘接的工艺工程,从而实现了涂胶粘接生产线的全自动生产。

1 系统结构设计

涂胶粘接生产线主要由清洗烘干、加强圈和镜座涂胶粘接、三层常温高温固化线、前环涂胶粘接、回转线、连接体涂胶粘接、链传动线以及视觉系统组成。各个工位与视觉系统协调配合以保证生产线的涂胶粘接工艺。图1为涂胶粘接生产线控制系统的总体框图。该控制系统采用主从站分布式控制结构,以一台工控机和一台西门子CPU226 PLC作为控制主站,其余生产线附近的控制柜CPU226 PLC作为从站,通过Modbus协议构建总线式拓扑结构网络。工控机以Fama View组态软件进行编程,完成对各个从站工位运行状态的实时监控、故障监控和报警以及编码的显示和报表等功能。涂胶粘接以及运输线从站工位以西门子CPU226 PLC为控制器,结合EM231数字量扩展模块,通过对亚德客气缸电磁阀的控制以及步进电机的控制以运输并装配需涂胶粘接的各部件,同时控制YAMAHA工业机器人[3-4]的运动以满足部件涂胶和装配的需要,其中涂胶机喷胶的启停通过YAMAHA工业机器人控制器的通用I/O进行控制,同时配置西门子SMART1000触摸屏,以做到所有气缸的手动操作、YAMAHA工业机器人的上电初始化、涂胶粘接的自动操作以及气缸和机器人的故障报警和实时处理。高温固化从站以西门子CPU224 PLC为控制器,结合EM231数字量和EM235模/数扩展模块,完成烘箱温度的采集,并通过西门子SMART1000触摸屏完成温度的实时显示、监控以及报警。视觉系统通过控制器的以太网接口将采集到的部件编码传输到工控机,以完成部件的计数和部件编码的管理。

2 系统软件设计

系统软件设计是系统正常可靠工作的重要组成部分,该涂胶粘接生产线软件编程分为4个部分: Fama View组态编程、PLC编程、触摸屏编程以及YAMAHA工业机器人编程。

图1 涂胶粘接生产线控制系统总体框图

Fama View组态编程主要功能为:①实现对涂胶粘接生产线的运行状态的监视,显示全部工艺流程及当前工作概况;②对生产线现场发生的故障进行采集并报警,同时对生产线现场的环境参数进行监测和控制;③将视觉系统采集到的部件编码数据进行存储、查询和打印,使用户能清晰的了解生产线现场运行的情况并能方便的对涂胶粘接的质量进行分析和记录。

PLC为生产线现场主控制器,其主要功能为:①完成对数据的处理和运算;②发出指令控制气缸电磁阀的得失电、步进电机的启停以及与工业机器人控制器间的数据衔接;③通过SEW伺服电机的通用I/O模式控制伺服电机的启停和转速,以达到对现场各部件进行传输和装配的过程。

触摸屏编程采用西门子HMI软件Wincc flexible编程,其主要功能为:①实现对各工位气缸电磁阀得失电的手动操作以及YAMAHA工业机器人的初始化操作;②实时监测各工位的故障并根据故障提示作出相应的处理控制。

工业机器人主要通过YAMAHA单轴、双轴以及三轴控制器的专用软件进行编程,以实现涂胶头涂胶的轨迹运动以及装配运动时的精确定位。

图2为加强圈和镜座、前环和连接体涂胶粘接工位的主程序流程图。首先,系统上电后进行气缸初始化和机器人初始化,以确保所有的气缸以及机械手臂处于正常工作的初始状态且互不影响。初始化完成后,执行自动运行程序,系统按PLC程序自动完成部件的涂胶粘接工艺。当运行一段时间后,如果出现加强圈和镜座、前环和连接体部件不足的情况,系统自动暂停,待人工上料完成后紧接暂停前的状态自动运行。

图2 加强圈和镜座、前环和连接体涂胶粘接工位主程序流程图

3 机器人涂胶系统设计

3.1 机器人

机器人是涂胶运动轨迹控制的核心部分[5],加强圈和镜座工位的涂胶使用YAMAHA三轴机器人,前环、连接体工位的涂胶使用YAMAHA双轴机器人。这里以YAMAHA三轴机器人为研究对象,三轴机器人可在X、Y、Z 3个平面自由移动,该系统采用三轴机器人的控制器为RCX240,其支持并口I/O、CC-Link、DeviceNet、Profibus、Ethernet多种类型设备,这里主要采用并口I/O连接实现机器人控制器与PLC之间的数据衔接。通过控制器的专用输入/输出口完成机器人的自动运行,图3为机器人自动模式切换、程序复位与程序执行需满足的时序。当系统开始程序执行后,三轴机器人按照控制器编写的程序顺序执行完成涂胶的轨迹运动。

图3 模式切换、程序复位与程序执行时序图

3.2 涂胶机

涂胶机有自己的独立控制系统,配有触摸屏设定胶液加热所需达到的温度范围。当出现故障时,蜂鸣器发出报警以提醒工作人员在触摸屏上进行警报解除操作。涂胶机的启停信号与机器人控制器的通用I/O硬件连接,正常工作时,可由机器人控制器发出指令:涂胶头到位后开始涂胶,涂胶完成后,停止涂胶,涂胶头更换位置进行下一步的涂胶。由于涂胶机胶液的浓度比较大,每次停机超过10min,涂胶头可能被堵塞,因此系统配有手动脚踏设备以保证涂胶管的疏通。

3.3 视觉系统

该设计采用欧姆龙FZ3系列传感技术[6-7],其在简易照明下可以拍摄出最佳图像效果,并能够更快、更多的收集测试图像数据。FZ3控制器通过并口I/O与PLC连接,当工件涂胶粘接完成后,PLC发出指令触发STEP信号,即摄像头拍照指令,拍摄完成后将所得到的图片与标准图像进行对比和分析,在允许的误差范围内,控制器就会认为此次涂胶粘接质量合格,控制器通过OR信号将判定结果反馈给PLC,如果反馈为1,那么涂胶粘接合格,继续下面的工序,如果反馈为0,那么PLC发出警报提醒工作人员在下一周期开始前将不合格的产品取走。

4 结语

涂胶粘接生产线通过现场长时间的运行达到了预期的效果,其实现了全自动生产,工件自动传输,涂胶设备涂胶精准、快捷,粘接实现了数控自动化操作,大大减轻了工人的劳动强度,提高了产品的生产质量和劳动生产率,彻底改善了生产环境,减轻了对操作者的人身危害,同时生产线控制系统运行稳定,操作灵活,维护方便,对传统生产而言是一个质的跨越。

[1]赵燕伟,钟允晖,陈建,等.基于制鞋涂胶工艺的机器人喷涂速度控制研究[J].机械设计与制造工程,2013,42(3):62-65.

[2]施庆平.PLC在机器人涂胶生产线控制中的应用[J].微计算机信息,2006,22(6):72-73.

[3]龚威,张树臣,王瀛.实例解读西门子PLC[M].北京:中国电力出版社,2013.

[4]高永亮,虎恩典,董明,等.基于西门子PLC和触摸屏的烘箱温度控制系统[J].宁夏工程技术,2010,9(3):223-225.

[5]WALL M.Automarker halves man hours with robotic HM dispenser[J].Adhesive,1987,30(3):34-35.

[6]卢立军,陈伟才,程金,等.在线汽车变速器自动涂胶系统设计[J].制作业自动化,2012,34(2):131-132.

[7]李新.机器人自动涂胶设备的调节和控制系统[J].工业现场,2002(21):50-51.

[编辑]张涛

TP273

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16731409(2014)25004103

2014-04-25

杨志方(1970-),男,硕士,副教授,现主要从事嵌入式系统及工业控制技术等方面的教学与研究工作。