壓力表機芯自動裝配生產線控制系統(tǒng)的設計
根據(jù)壓力表機芯自動裝配線生產流程和自動裝配線的系統(tǒng)控制設計要求，設計了壓力表機芯自動裝配線控制系 統(tǒng)硬件結構和通信方案，并在此基礎上完成了自動裝配線的PLC、人機界面控制系統(tǒng)軟件開發(fā)及可編程電機控制程序設計。 經運行調試，該自動裝配線能可靠運行，提高了產品裝配質量和生產效率。
壓力表（pressure gauge) '是指以彈性元件為敏感 元件，測量并指示高于環(huán)境壓力的儀表⑴。壓力表的 應用極為普遍，它幾乎遍及所有的工業(yè)流程和科研領 域。在熱力管網、油氣傳輸、供水供氣系統(tǒng)、車輛維 修保養(yǎng)廠店等領域隨處可見。尤其在工業(yè)過程控制與 技術測量過程中，由于機械式壓力表的彈性敏感元件 具有很高的機械強度以及生產方便等特性，使得機械 式壓力表得到越來越廣泛的.應用。壓力表機芯是壓力 表專用的傳動放大機構，由軸齒輪、扇形齒輪、游絲 以及包括上、下夾板和支柱構成的機架等組成，如圖1 所示壓力表機芯是壓力表核心部件，其裝配品質 的好壞直接影響壓力表示值的精度等級。壓力表機芯 自動裝配線的研制與應用可有效提高壓力表機芯裝配質量的穩(wěn)定性，提高裝配生產的效率，降低生產成本。
1.壓力表機芯自動裝配線的組成及流程
根據(jù)壓力表機芯的生產工藝，該生產線主要由下 夾板支柱鉚壓及供給、下夾板供料檢測、扇形齒輪部 件供給、扇形齒輪部件檢測等10道工序組成。生產 流程如圖2所示。
如圖3所示，該自動裝配生產線由完成各裝配工 序的工作單元、主道傳動鏈、輔道傳動鏈和左右輸送 模塊用電缸等組成，呈環(huán)形分布，其中上述提到的 10道裝配工序在主道傳動鏈17個工位中的2、3、5、 6、9、11、12、15、16、17工位上依次完成a在整條 生產線中，各個工作單元具有極高的獨立性，能很好 地完成該工序的裝配任務；同時，各個工序之間具有 很好的協(xié)調性，在各個工作單元完成各自的裝配任務 后能夠把待裝配部分順利地通過主道傳動鏈傳送到下 一個工序，進行進一步的裝配。部分工序的裝配完成 后，設計有檢測裝置，用于檢測裝配是否成功，剔除 不合格的裝配品。
2.系統(tǒng)的控制要求及硬件系統(tǒng)設計
2.1系統(tǒng)的控制要求
（1）運行方式。該控制系統(tǒng)提供3種運行方式， 分別是全線自動運行方式、單周期運行方式和手動運 行方式。正常工作時系統(tǒng)在自動方式下運行，單周期 運行方式和手動運行方式是在設備調試和檢修階段使 用
（2）急停處理。設備設置急停按鈕，當出現(xiàn)緊 急情況時，按下急停按鈕，所有正在進行動作的設備 全部停止。緊急情況排除之后，可以使用“啟動” 重新啟動。
（3）系統(tǒng)參數(shù)設置與信息顯示。壓力表機芯自 動裝配線的操作、維護有不同的登錄口令和權限，機 芯加工定額等參數(shù)需在設備運行前預先通過觸摸屏設 置輸人。每日的裝配產量、良品率等在觸摸屏界面上 顯示。
（4）運行效率。裝配線要每小時裝配壓力表機 芯1 200件以上。
（5）故障報警。系統(tǒng)能夠自動檢測各個工序的 運行是否正常，當出現(xiàn)系統(tǒng)壓力不足、工位干涉、模 塊干涉、模塊缺料等現(xiàn)象時暫停系統(tǒng)運行，并在觸摸 屏界面顯示出來，同時紅色報警燈變亮，蜂鳴器發(fā)出 警報聲—故障解除后按啟動按鈕生產線繼續(xù)運行。
（6）工作單元獨立運行。整個系統(tǒng)的6個工作 單元中，下夾板支柱鉚壓及供給單元、扇形齒輪部件 供給單元、軸齒輪部件供給單元、上夾板供給單元和 上夾板真鉚壓單元機械結構較復雜，動作步驟較多， 需采取獨立控制、運行以方便系統(tǒng)調試。上夾板預鉚 壓單元結構簡單，動作單一，可并人主道傳動鏈一并 控制。
2.2控制系統(tǒng)硬件設計
由于PLC具有設計、安裝、接線、調試工作量 小，研制周期短，可靠性高，抗干擾能力強，故障率 低，維護方便等一系列優(yōu)點，能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣 環(huán)境，在工控領域得到廣泛的應用w ,所以采用PLC 作為裝配線的主控制器，能滿足生產的需要。壓力表 機芯自動裝配線中的5個裝配工作單元、2條傳動鏈 分別由7臺三菱FX系列PLC控制，其中上夾板預鉚 壓單元檢測動作較簡單，且固定在主道傳動鏈機架 上，因此與主道傳動鏈共用1臺PLC控制。整個裝 配線長度在9 m左右，各裝配單元之間相互獨立，只 與主道傳動鏈間有任務請求和協(xié)同關系，因此各裝配 單元控制PLC與主道控制PLC之間需要建立通信。 三菱PLC常用的通信模式有CC-LINK模式和485模 式，考慮到485通信模式成本較低，且當前單元間的 通信距離在50 m范圍內，485通信模式的可靠性能 滿足系統(tǒng)運行需要[5、因此，壓力表機芯自動組裝線 各單元間采用了 485通信模式，如圖4所示。
壓力表機芯自動裝配線的控制程序包含三部分程 序，分別是控制系統(tǒng)壓力表機芯自動裝配線各裝配工 作單元、主道傳動鏈和輔道傳動鏈控制PLC的輸人 信號主要是控制系統(tǒng)啟停的主令開關，作位置檢測、 工件有無檢測的光電傳感器、磁性開關；PLC輸出控 制對象主要是實現(xiàn)氣缸、真空吸盤動作的電磁閥，控 制電機工作的接觸器、控制驅動器等。另外，由于 PLC自身不具備人機交互功能，而控制系統(tǒng)工藝參數(shù) 較多，需要人機交互時，使用具有觸摸操作功能的觸 摸屏是一種很好的選擇[6]。壓力表機芯自動裝配線采 用昆侖通態(tài)MCGSE TPC1062KX彩色觸摸屏，用于執(zhí) 行指令輸人、手/自動控制切換、參數(shù)設置、裝配產 量與質量統(tǒng)計、監(jiān)控畫面顯示以及故障報警顯示等。 該生產線系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構如圖5所示。
3.控制系統(tǒng)的軟件設計
壓力表機芯自動裝配線的控制程序包含三部分程 序，分別是控制系統(tǒng)整體運行的PLC控制程序，實 現(xiàn)人機交換的人機界面程序和實現(xiàn)電缸軌跡控制、步 進電機運行的電機控制程序。
3. 1 PLC程序設計
在控制系統(tǒng)硬件設計中已經表述，系統(tǒng)總共采用 了 7臺PLC，其中控制主道傳動鏈運行的PLC為主 站，其余各單元PLC為從站。開發(fā)壓力表機芯自動 裝配線的最主要目的是為了提高生產效率、提高產品 質量，降低勞動強度、生產成本。該自動裝配線的各 裝配工作單元間既有相互對立性，又在產品裝配過程 中環(huán)環(huán)相扣，所以采用模塊化程序設計思路可使控制 程序結構性強，可讀性好，修改程序方便，便于實現(xiàn)程序運行監(jiān)控。在自動裝配生產線上的裝配過程主要 是順序邏輯控制，采用三菱PLC的移位指令SFTL能 清晰地表達動作狀態(tài)過程，實現(xiàn)順序邏輯控制。另 外，由于該自動裝配線各工作單元的裝配工序較多， 為達到系統(tǒng)每小時裝配壓力表機芯1200件以上的效 率控制要求，各主道傳動鏈與各工作單元、各工作單 元內部在保證系統(tǒng)不發(fā)生機械干涉的情況下都采用并 行狀態(tài)流程，以縮短系統(tǒng)裝配節(jié)拍時間。
(1)主站485通信程序。三菱PLC485通信在硬 件上需要在PLC主機上加裝FX2N485-BD通信擴展 板，在程序起始位置編寫相應的通信程序。對于主站 通信程序，需要在相應的特殊數(shù)據(jù)寄存器里寫人從站 數(shù)量、通信模式、刷新次數(shù)和通信時間，同時在特殊 數(shù)據(jù)寄存器D8176寫入K0,表明主站身份。各從站 PLC程序在起始位置只需編寫一條表明從站號的通信 程序。主站PLC通信程序如圖6所示。
(2)自動運行子程序。整個自動裝配線流程圖 如圖7所示。在主傳動鏈運行254 mm到位后，通過 左輸送電缸把活動模塊從輔道傳動鏈傳送至主道傳動 鏈工位1;工位17的活動模塊由右將電缸輸送到上 夾板真鉚壓抓取位置或次品處理位置；原來主道傳動 鏈上已經存在的活動模塊隨主道傳動鏈運動移至后一 工位。各裝配工作單元根據(jù)檢測工位檢測的信息，決 定是否向主道傳動鏈活動模塊供料。主道傳動鏈及各 裝配工作單元開始時都獨立工作，主道傳動鏈運行到 位后，其控制PLC向各裝配工作單元PLC發(fā)出請求供料申請，各裝配工作單元先期動作完成后處于待命 狀態(tài)，在接到主站PLC請求供料信號后向活動模塊 供料，供料完成后向主站PLC發(fā)出供料結束信號， 主道傳動鏈和各裝配工作單元開始新的動作周期。
3.2人機界面設計
MCGSE人機界面組態(tài)軟件提供了多種控制器件 庫、圖形控件和功能組件，通過組態(tài)出的各種顯示和 控制功能實現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)、當前過程值及故障的可 視化。利用人機界面操作監(jiān)控系統(tǒng)，對PLC中的實 時數(shù)據(jù)進行顯示、記錄、存儲、處理，從而滿足各種 監(jiān)控要求。
壓力表機芯自動裝配線采用昆侖通態(tài)MCGS TPC1062KX彩色觸摸屏，用于執(zhí)行指令輸人、手自動控制切換、參數(shù)設置、裝配產量與質量統(tǒng)計、監(jiān)控畫 面顯示以及故障原因顯示等，如圖8所示。將觸摸屏 畫面使用專用軟件在計算機上設計完成后，再通過計 算機的RS232串行通信口下載到觸摸屏PLC對觸 摸屏實時數(shù)據(jù)庫進行讀寫，達到兩者之間的信息交 互。
圖8 F4001型壓力表機芯自動裝配線主界面
3.3電機控制程序設計
壓力表機芯自動裝配線共用到了5類電機，分別 是鉚壓用普通三相異步電機、輔道傳動鏈驅動用變頻 電機、主道傳動鏈驅動用伺服電機、左右輸送模塊用 電缸和下夾板支柱鉚壓及供給單元翻轉機構驅動用步 進電機。鉚壓用普通三相電機只需PLC輸出控制交 流接觸器線圈即可；變頻電機由三菱FR-E740變頻 器驅動，PLC輸出通過選通變頻器“正轉啟動STF”、 “高速RH”和“中速RM”端子實現(xiàn)速度切換；主 道傳動鏈驅動用伺服電機控制程序通過三菱FX1N PLC定位指令實現(xiàn)。左右輸送模塊用電缸采用SMC 株式會社LEC系列電缸，該電缸可采用絕對位移控 制和相對位移控制，其控制程序可在ACTCcmtroller 軟件環(huán)境下編寫并下載至電缸驅動器，驅動器可存儲 64步程序，PLC通過選通電缸驅動器“啟動”、“程 序步選擇”端子信號調用相應的電缸控制程序；翻 轉機構驅動用步進電機選用日本ORIENTAL株式會 社ASC系列步進電機，該電機調速范圍大，控制精 度髙。可通過計算機程序—附件—通信—超級終端 編寫步進電機控制程序并下載至EMP401控制器中， 圖9所示為步進電機控制程序。EMP401控制器中 可存儲32個電機控制程序。通過EMP401控制器來 控制步進驅動器，進而驅動ASC系列步進電機轉 動。同樣，PLC只需給EMP401控制器“啟動”、 “程序步選擇”端子選通信號即可調用相應的電機 控制程序。
4.結論
可編程控制器（PLC)的高可靠性和抗干擾能力 等優(yōu)點，極大地提高了控制系統(tǒng)的運行可靠性；觸摸 屏作為人機接口界面，提供了良好的人機操作界面^ 可編程控制器（PLC)技術和人機交互技術的協(xié)同設 計，保證了壓力表機芯自動裝配線控制系統(tǒng)的可操作 性，增強了控制系統(tǒng)的操作性及靈活性，提供了完善 的實時監(jiān)控功能。可編程控制電機的應用，彌補了 PLC插補運動控制的不足，提高了系統(tǒng)運行的精度。該自 動裝配生產線已在企業(yè)投人使用，運行效果很好。
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