［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)計方案。設(shè)計使用三菱Q 系列PLC并結(jié)合CC-Link 總線技術(shù)，對裝配線進行自動化控制。設(shè)計完成后，通過對機械、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)品合格率達到了98%，滿足了生產(chǎn)要求。
［關(guān)鍵詞］裝配線；PLC ；機器人；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種三元催化器的裝配，通過PLC以及CC-Link 之間的交互實現(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、運行不穩(wěn)定的問題，自主研發(fā)設(shè)計一條自動化生產(chǎn)線。本文不對整條產(chǎn)線進行研究，僅對刻印工位后面的工序進行研究。搬運機器人負責將刻印工位上的產(chǎn)品夾取到鎖付滑臺上，并將護蓋運送到產(chǎn)品上，以上動作完成后，滑臺進入鎖付工位；鎖付機器人從送螺絲定位機構(gòu)取起螺絲，將產(chǎn)品和護蓋鎖緊，鎖付完成后，滑臺退出鎖付工位后；搬運機器人將鎖付完成的產(chǎn)品夾取到噴印工位，噴碼機構(gòu)將產(chǎn)品機種、生產(chǎn)廠家等信息，噴印在護蓋上，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)包括搬運機器人、鎖付機器人、滑臺、噴碼機、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)行控制模塊實現(xiàn)生產(chǎn)線所有機構(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)以及各個工位的狀態(tài)，并傳輸給PLC 進行數(shù)據(jù)處理。PLC 根據(jù)傳輸過來的數(shù)據(jù)對后面的執(zhí)行控制模塊進行調(diào)控，以實現(xiàn)對執(zhí)行機構(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
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，選擇后期維護方便、簡單易，于操作且性價比最高的型號。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，且在運動控制上的表現(xiàn)優(yōu)于同級別其他品牌，同時三菱PLC有獨特的定位控制指令，在控制伺服電機和步進電機方面更加方便。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[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)時間縮短，隨著應(yīng)用程序變得更大更復雜，縮短系統(tǒng)運行周期時間是非常必要的。通過超高的基本運算處理速度1.9n（s LD指令），可縮短運行周期。
?。?）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。
三菱簡單運動模塊（QD77MS16）的性能強大，可以同時對16個軸進行運動控制；具有豐富的定位控制功能：通過直線插補控制、2軸圓弧插補控制、定長進給控制以及連續(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?、速度等進行設(shè)定，輕松實現(xiàn)自動運行；通過代碼、跳過功能、單步運行、目標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；可以通過簡單運動控制模塊對伺服驅(qū)動器、伺服電機的信息進行監(jiān)視，也可以在用戶制作的畫面中顯示?？杀O(jiān)視的數(shù)據(jù)包括：有效負載率、再生負載率、峰值負載率、負載慣量比、伺服電機旋轉(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軟件對簡單運動控制模塊進行設(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)動進行伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)定及調(diào)整，可以提伺服運作的效率，系統(tǒng)容易維護。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行信息交換，主站與從站之間使用鏈路掃描的方式進行站與站之間的數(shù)據(jù)交換，采用的方式是通過模塊內(nèi)緩沖寄存器進行自動映射，寄存器之間有專門的通信指令進行數(shù)據(jù)的鏈接掃描。該模塊具有的特點如下：
（1）高速處理。最大可以達到100m的傳輸距離，并且能夠連接64個站點，鏈接掃描時間僅為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)計的重點在于整條裝配線最后兩臺機器人及其相關(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。
（1）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進行數(shù)據(jù)處理，進而控制裝配線運行模式的切換、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PLC輸入量以及9個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工位氣缸電磁閥的通斷和伺服電機的啟停等進行控制，其中使用了2個三菱AJ65SBTB1-32D輸入模塊、1個AJ65SBTB1-32D輸入輸出模塊以及1個AJ65SBTB1-32T輸出模塊，使用了69個PLC輸入量和28個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構(gòu)伺服電機、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機構(gòu)動作進行控制，其中使用了2個輸入模塊：AJ65SBTB1-32D 和AJ65SBTB1-16D，一個輸出模塊：AJ65SBTB1-32T，使用了38個PLC輸入量和20個PLC輸出量。
（4）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機器人和鎖付機器人的輸出信號以及螺絲定位機構(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機器人的輸入信號以及控制相關(guān)機構(gòu)氣缸作出動作的信號組成，從而控制機器人完成一系列工作。其中使用了3個輸入模塊：AJ65SBTB1-32D×3，3個輸出模塊：AJ65SBTB1-32TE1×2、AJ65SBTB1-32T，使用了96個PLC輸入量和82個PLC輸出量。
2.3 觸摸屏的選型
觸摸屏是一種人機界面（Human Machine Interface），可以實現(xiàn)監(jiān)視產(chǎn)線的運行狀態(tài)，控制產(chǎn)線中執(zhí)行機構(gòu)的動作，對產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)進行存儲和共享等功能。由于本設(shè)計采用的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)膶崟r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)計好，并與產(chǎn)線系統(tǒng)連接，可以對裝配線進行I/O監(jiān)控、報警處理、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)以及部分流程進行更改。
圖4 產(chǎn)線觸摸屏界面圖
3 機器人的應(yīng)用
機器人作為本裝配產(chǎn)線最重要的執(zhí)行機構(gòu)之一，負責產(chǎn)品的搬運以及螺絲鎖付工作。本裝配線選用廣州數(shù)控機器人，型號為GSK-RB35以及GSK-RB50，具體參數(shù)見表2。
表2 機器人參數(shù)
3.1 機器人I/O定義
裝配線中大多數(shù)的執(zhí)行機構(gòu)都是由PLC控制，機器人與PLC之間通過物理I/O進行通信。因此，在調(diào)試前期需要對機器人的I/O與PLC側(cè)進行信號約定。這樣PLC通過對外部傳感器的信號進行分析處理后再將其作為信號輸出，從而控制機器人的動作。GSK-RB35型機器人內(nèi)部共有32個輸入和輸出信號，每一個I/O信號的地址分別對應(yīng)一個機器人的輸入輸出指令。如機器人輸入端口X0.8對應(yīng)機器人指令里面的IN8，當PLC側(cè)給機器人側(cè)的X0.8發(fā)出一個高電平信號，相應(yīng)的IN8也會接通，由此來控制機器人的動作。由于機器人程序的加載方式采用正常加載的方式，在該型號機器人的32個I/O口中，IN0～IN7（OT0～OT7）為系統(tǒng)定義的信號，IN8～IN32（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、運行信號、伺服準備信號等表示機器人所處狀態(tài)的信號，用戶自定義信號是用戶為了達到某些需要的功能而定義的I/O。搬運機器人部分自定義的I/O 見表3。
表3 搬運機器人部分自定義I/O
表3 中每一個自定義的信號都需要不斷調(diào)試，否則會導致機器人做出錯誤的動作，造成人力、物力的消耗。
3.2 機器人與PLC以及觸摸屏之間的關(guān)系
機器人作為執(zhí)行機構(gòu)完成整條產(chǎn)線的搬運和鎖付工作；PLC作為主控制器協(xié)調(diào)現(xiàn)場各機構(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 機器人與PLC以及觸摸屏之間關(guān)系
3.3 機器人動作邏輯的設(shè)計
本設(shè)計主要描述整條產(chǎn)線的最后兩個機器人的工位，分別以搬運機器人和鎖付機器人來命名。如圖6所示，搬運機器人在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了兩個末端執(zhí)行器，分別是一個通過氣缸控制的夾爪和一個吸盤。搬運機器人的任務(wù)就是將上一工位完成的產(chǎn)品用夾爪夾取到鎖付滑臺，然后將護蓋通過吸盤運送到產(chǎn)品上。鎖付合格/不合格的產(chǎn)品還需要由搬運機器人同樣用夾爪搬運到噴印工位或NG皮帶上，通過鎖付機器人的伺服擰緊機構(gòu)的實時信號，傳達給PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)處理判斷是否合格。
圖6 搬運機器人末端執(zhí)行器效果圖
鎖付機器人的任務(wù)就是從送螺絲機構(gòu)將螺絲取出來并將護蓋與產(chǎn)品鎖緊，鎖付機器人的動作邏輯如圖7 所示。為了減少機器人取螺絲的次數(shù)，提高鎖付效率，鎖付機器人共安裝3 個伺服擰緊機構(gòu)，整個流程下來需要取兩次螺絲，如圖8所示。
圖7 鎖付機器人動作邏輯
圖8 鎖付機器人伺服擰緊機構(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)試涉及多種機構(gòu)的協(xié)調(diào)，如機器人、刻印機、鎖付治具、伺服擰緊機構(gòu)、振動送料裝置等，要讓這些機構(gòu)能夠達到廠家要求的生產(chǎn)狀態(tài)需要大量的時間進行調(diào)試。經(jīng)過現(xiàn)場不斷對PLC 程序、機器人程序的調(diào)試以及對機器人動作的修訂，該裝配線控制系統(tǒng)已經(jīng)可以在現(xiàn)場穩(wěn)定運行，且能夠達到一個較好的節(jié)拍以及生產(chǎn)合格率。實際生產(chǎn)過程中的節(jié)拍可以達到32s，滿足客戶要求，生產(chǎn)合格率達到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，采用PLC總控技術(shù)結(jié)合CCLink總線技術(shù)設(shè)計了一套控制方案，根據(jù)該方案開發(fā)了控制系統(tǒng)。根據(jù)方案對PLC的各個模塊以及觸摸屏等硬件進行選型和配置，并設(shè)計了機器人的程序流程，通過現(xiàn)場調(diào)試與試運行，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。
