基于PLC控制的在线自动翻转机构的控制系统的设计

王信野，陈书宏，杨仁枫，郑德超

（中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016）

基于PLC控制的在线自动翻转机构的控制系统的设计

王信野，陈书宏，杨仁枫，郑德超

（中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016）

介绍一种应用于重卡变速器装配线上的在线自动翻转机构的控制系统，主要基于西门子PLC控制，采用X、Y、Z及旋转轴四个方向伺服控制系统进行驱动，采用液压系统定位装置对托盘进行定位。该在线自动翻转机构成功的应用于国外变速器生产中，提高了生产线的自动化程度和生产效率，降低人工成本，提高产品竞争力。

翻转机构；变速器；PLC控制；伺服系统

0 引言

近年来，随着我国工业水平的快速发展，人们对于卡车性能要求也不断提高。变速器是卡车零部件的重要组成部分，变速器生产厂家不断对装配生产水平提出更高的要求。生产厂家不断的改进变速器的装配工艺，装配生产线从90年代的手工装配渐渐的向半自动化装配线，以及更先进的管控一体化的自动化装配生产线过渡。

本文主要介绍某公司变速器装配车间应用于辊道式的重卡变速器装配生产线的在线自动翻转机构，主要实现RFID射频设备识别托盘上的变速器壳体型号自动切换程序，对托盘上的变速器壳体90°、180°姿态翻转变换，无人工参与全自动化在线生产的功能。

1 翻转机构的总体结构

1.1 机械结构

本翻转机构应用于某重卡变速器装配生产线自动化生产中，自动切换变速器壳体在辊道式物流生产线中的90°，180°姿态。本设备主要采用伺服控制器及伺服电机完成X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、旋转轴方向的四个方向的驱动控制；采用液压系统完成托盘姿态旋转及精确定位，夹紧箱体的功能。因为变速器箱体及内部齿轮装配到此工位重量达到250kg，所以Z轴方向采用增加反方向配重的方式实现，这样很大的程度上减小Z轴方向伺服电机的扭矩参数，从而降低设备成本。由于本条装配生产线为了实现10个品种混合装配，品种尺寸差别较大，因此在设计中采用在之前工位安装多孔工装板实现。

如图1机械结构简图，液压系统主要由举升定位缸、托盘姿态旋转缸、箱体夹紧缸及液压站构成。伺服控制系统主要由X轴伺服控制系统、Y轴伺服控制系统、Z轴伺服控制系统、翻转方向伺服控制系统构成。根据平面直角坐标系定义，垂直方向为Z轴伺服系统运动方向，运动范围为900mm，水平方向为X轴伺服系统运动方向，运动范围为400mm，垂直于纸面方向为Y轴伺服控制系统，运动范围为600mm，旋转方向伺服系统运动方向为垂直于水平方向旋转，旋转角度范围为0～180°。伺服系统的编码器和位移传感器的精度可以到达0.2mm，并且机械结构有一定的浮动空间，满足设计要求。

1.2 工艺流程

本翻转机构主要配合辊道式物流装配线实现变速器箱体在托盘上的姿态切换。本条装配线应用了三台在线自动翻转机构，翻转姿态如下：

1）变速器箱体上线之后完成装配，安装工装板，到达第一台翻转机构，翻转180°，自动放行；

2）变速器箱体自动放行之后，进行下一部分装配，到达第二台翻转机构，翻转180°，自动放行；

3）变速器箱体自动放行之后，进行下一部分装配，到达第三台翻转机构，翻转90°，自动放行。

如图2翻转机构工艺流程图所示，托盘自动运行到举升定位机构处，首先，通过RFID射频设备识别托盘上变速器型号，自动切换程序，加载相应数据配方；然后，举升定位机构通过举升、旋转90°、下降等过程将托盘旋转90°并且进行定位；接着，翻转机构通过控制X、Y、Z轴伺服控制系统，将翻转机构夹爪运动到箱体取箱位置；然后，夹紧缸夹紧，翻转机构通过控制X、Y、Z轴伺服控制系统运动到箱体翻转位置，进行翻转角度；接着，翻转机构通过控制X、Y、Z轴伺服控制系统，将翻转机构夹爪运动到箱体放箱位置，箱体夹紧缸松开；再然后，X、Y、Z轴伺服控制系统回到初始位置，举升定位机构回原位，将托盘放到辊道装配线上；最后，变速器箱体姿态切换完成，托盘自动放行到下一个工位，翻转机构恢复到初始位置，整个翻转过程结束，等待下一个托盘。

图1 机械结构简图

图2 翻转机构工艺流程图

2 翻转机构控制系统的硬件设计及控制策略

2.1 硬件构成

如图3所示，翻转机构控制系统网络结构图，翻转机构控制系统主要采用西门子PLCS-1200进行逻辑控制；采用西门子HMI TP900人机交互界面；采用西门子V90伺服控制器及1FL6伺服电机进行翻转机构四个自由度的精确控制，并在每个自由度增加巴鲁夫位移传感器；采用液压系统对举升缸、姿态旋转缸，夹紧缸进行控制，在夹紧缸上增加压力继电器进行检查，采用倍加福RFID IQT-F116射频识别设备进行托盘上变速器箱体识别。

控制系统PLC与装配线主站西门子PLC S-1500通过以太网通讯进行控制，与西门子HMI TP900人机交互界面通过以太网通讯实现，与倍加福RFID IQT-F116射频识别设备采用RS-485串口通讯技术实现，其他的位移传感器、开关按钮、指示灯、接近开关等通过PLC的数值I/O和模拟量来实现。

2.2 闭环控制

在线自动翻转机构核心部件是平面直角坐标系中对应于三个坐标轴方向和旋转方向的四套伺服系统。本设备选用西门子SIMOTICS S-1FL6伺服电机配合SINAMICS V90伺服驱动系统，形成功能强大的伺服系统，电机支持3倍过载能力，选用13位分辨率的增量式编码器，能够充分满足机械设计对动态性能，速度设定范围，输出轴与法兰精度的高要求。

图3 翻转机构控制系统网络结构图

如图4所示，闭环控制系统逻辑图，本设备控制系统采用编码器速度检查和位移传感器位移检测的双闭环控制系统，并且通过编码器位置量与位移传感器的位移量差值判断，以及伺服运行扭矩检测，实时诊断伺服系统的运行状态。伺服控制系统采用位置控制方式与编码器位置反馈形成伺服驱动器内部闭环控制系统，这样大大的提高设备运行精度。PLC控制系统通过位移传感器对于机械部件实时位置的反馈形成伺服驱动器外部闭环控制系统，并且采用PID调节提高伺服控制系统的稳定性。采用外部闭环控制系统最主要的目的是，当出现伺服电机与丝杠之间的联轴器脱离或者是丝杠断裂形成的机械部件与实际运行的目标位置不一致的时候，根据翻转机构自动程序会继续执行下去，这样实际位置与设定位置不符合，会造成极大的危险性。增加位移传感器之后形成外部闭环系统，增加伺服运行条件很好的解决这个问题，并且通过PID调节提高设备的快速响应和稳定性。本系统通过对伺服电机的运行扭矩的逻辑判断，很好的解决丝杠运行时间过长外形扭曲或者突发情况形成大扭矩等情况，提高设备运行的安全可靠性。

图4 闭环控制系统逻辑图

液压系统中，在箱体夹紧缸油路中增添压力值可以设定的压力继电器，设定压力值，达到设定值发讯，进行下一步动作；举升定位缸和姿态旋转缸通过磁性开关进行位置判断，液压站增添温度传感器进行液压油的油温判断。

3 控制系统的软件设计

自动翻转机构软件设计主要分为三个部分：PLC程序设计、伺服控制系统的组态及参数设定、HMI人机界面的设计。

3.1 PLC程序设计

如图5所示，PLC自动程序流程图，主要根据自动翻转机构工艺流程编写程序。

在启动自动程序之前需要对每个品种的变速器的位置数据进行采集，手动运行伺服系统采集变速器在翻转机构中的初始原位、取箱位置，旋转箱体位置，放箱位置，每个位置由X、Y、Z旋转轴四个位置参数构成，然后将所采集的数据，键入到HMI人机界面的配方中，以待自动程序加载数据。

图5 PLC自动程序流程图

运行自动程序，首先，设备上电启动之后，进行设备初始化程序，主要是X、Y、Z轴及旋转轴伺服电机回零点，运行到初始原位，液压系统液压缸回到原位；然后，检测伺服系统和液压系统是否有故障报警现象，从而翻转机构到达准备就行状态；接着，当托盘运行到此工位时，RFID设备识别变速器型号，自动切换程序，配方数据载入，根据工艺流程进行动作，如果在运行过程中出现伺服报警和液压系统报警，翻转机构整个系统立即停止，这时候需要人工干预进行故障排查。最后，完成工艺流程，托盘回到辊道上，自动放行。

3.2 伺服系统

本设备采用西门子V90系统伺服控制系统，在应用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT软件设置伺服系统的内部参数，在博图软件中建立工艺轴对象进行相应的参数设定。

在在应用中需要在SINAMICS V-ASSISTANT软件主要设置：电子齿轮比、伺服电机运行模式、配置输入/输出、设定极限值等参数；如图6所示，博图软件运动控制轴组态图，在博图软件中建立工艺轴对象，脉冲发生器与伺服系统输入端建立连接，采用硬件限位开关和软件限位开关进行保护，采用主动回原点的方式，常规启停斜坡急停斜坡，关联驱动器I/O点等。

图6 博图软件运动控制轴组态图

3.3 HMI程序设计

HMI人机界面主要由：主界面、参数设定界面、信号监控界面、手动操作界面、故障报警、配方界面，系统界面构成。

1）主界面：显示自动程序运行流程，伺服当前位置，及目标位置参数等；

2）参数设定界面：设置伺服零点位置与位移传感器零点位置的偏移值，夹紧缸的夹紧位置等；

3）手动操作界面：编辑液压系统中液压缸手动按钮，伺服系统中回零点按钮、相对位移设定及按钮、绝对位移设定及按钮、系统故障复位按钮、软硬限位开关状态显示及伺服运转正反两个方向按钮，实时位置显示；

4）配方界面：通过手动操作获得变速器在翻转机构中的初始原位、取箱位置，旋转箱体位置，放箱位置写进配方中，自动运行时加载数据。

4 结束语

论述了一种基于PLC控制的在线自动翻转机构的控制系统的设计。本在线自动翻转机构通过X、Y、Z及翻转四个方向的伺服系统的控制，达到了变速器在装配线上三种姿态的目的。 目前，三台在线自动翻转机构已成功应用于某卡车公司的国外装配车间中。如图7所示，卡车变速器的年产量达到6万台，为企业创造了良好的经济效益。

图7 现场应用图片

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图5 车体转运平台

图5是通过上述原理设计的列车车体转运平台，单个列车车体转运平台额定载荷25t，联动控制后可实现额定载荷50t。单个平台及联动状态均可实现实现二维平面内任意方向的移动及升降功能。经过试验验证，设备运行平稳，可横越过高差约20mm轨道，能顺利通过53mm宽的轨道轮缘槽。最大移动速度0.5m/s，非常适合在作业通道狭窄，路面多铁轨的高速铁路装配环境使用。目前本设备已在中车集团多个动车组装车间使用，使用效果良好。

3 结论

本文针对列车车体转运过程的由于列车体积大、厂房空间狭窄造成的转运效率低等问题，提出了一种高效的列车转运设备。该设备采用麦克纳姆轮实现全向移动功能，通过特殊的液压悬挂方式提高轮组的着地性能并实现升降功能。采用高精度传感器采集信号实现闭环控制，实现两台设备联动转运列车车体。基于上述技术的列车车体转运平台已在中车集团多个动车装配车间使用，实践证明，基于上述技术的列车车体转运平台运动方式灵活，操作方便，可以很好的适应复杂的列车装配环境，有效提高列车车体生产过程的转运效率。

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Design of control system of online automatic turnover mechanism on PLC control

WANG Xin-ye, CHEN Shu-hong, YANG Ren-feng, ZHENG De-chao

TP23

B

1009-0134(2016)12-0015-04

2016-09-01

王信野（1986 -），男，辽宁沈阳人，助理研究员，硕士，研究方向为PLC控制及自动化技术。