廢舊鋼桶翻新自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）-控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文/解俊強(qiáng)

第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對(duì)生產(chǎn)線的控制要求、工藝流程以及工作環(huán)境有充分的了解，在此基礎(chǔ)上才能提出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要從了解系統(tǒng)規(guī)模入手，從而選擇合理的核心控制設(shè)備，接著圍繞控制核心設(shè)備設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能需求選擇不同的通信方式，從而搭建系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。

首先從分析生產(chǎn)線的工藝流程切入，為簡(jiǎn)化對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以模塊化方法將生產(chǎn)線進(jìn)行劃分。本文的油桶翻新生產(chǎn)線根據(jù)工藝流程可以分為四個(gè)主要組成模塊：油桶加溫模塊、油桶噴砂模塊、油桶整形模塊和油桶拋光模塊。下面首先進(jìn)行模塊的分析，了解工藝流程；然后針對(duì)各模塊流程設(shè)計(jì)各模塊的程序的邏輯流程；接著以加溫模塊和噴砂模塊為本篇論文的設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)行輸入輸出點(diǎn)分配并給出控制柜的設(shè)計(jì)方案。

3.1 功能模塊分析

油桶翻新生產(chǎn)線按照工藝劃分四個(gè)主要模塊，流程順序從加溫模塊為起點(diǎn)，依次完成油桶加溫、噴砂、整形、拋光等工藝。油桶翻新生產(chǎn)線基本組成如圖3-1所示。除了四個(gè)主要模塊之外，還有中間連接生產(chǎn)線的輸送機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)桶架一、轉(zhuǎn)桶架二、轉(zhuǎn)桶架三和噴砂機(jī)機(jī)械手。本章以加溫模塊和噴砂模塊為分析重點(diǎn)，噴砂工藝也是油桶翻新的重要工藝之一，生產(chǎn)線中包含五臺(tái)噴砂機(jī)，分別對(duì)油桶不同位置進(jìn)行除銹，其中第一噴砂機(jī)與第二噴砂機(jī)分別是對(duì)桶底內(nèi)外進(jìn)行除銹，第三到第五噴砂機(jī)是對(duì)桶壁不同位置定位除銹。

圖 3-1 油桶翻新生產(chǎn)線基本組成

3.1.1 油桶加溫模塊

油桶加溫模塊是生產(chǎn)線的起始部分，要實(shí)現(xiàn)的功能是上桶和對(duì)油桶的加熱，主要由上桶架、油桶傳送機(jī)構(gòu)，油桶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、油桶加溫器等組成。生產(chǎn)線采用人工分揀供桶的方式為生產(chǎn)線提供加工材料，由人工將分揀好的油桶放在托板上，由上桶氣缸完成油桶的傳遞，上桶氣缸收縮到下極限位置，由傳感器感應(yīng)信號(hào)，等待人工裝桶；氣缸伸出到上極限位置，托板翻轉(zhuǎn)，將油桶翻到滑道。下一步，油桶由滑道進(jìn)入油桶加溫區(qū)域，在加溫區(qū)域噴火器由PLC控制點(diǎn)火裝置噴出火焰，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)桶輥?zhàn)邮褂屯靶D(zhuǎn)保證均勻油桶受熱，加熱30s后點(diǎn)火器滅火，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)配合翻桶氣缸控制連桿機(jī)構(gòu)將油桶送出，翻桶氣缸伸出上限與收縮下限由兩個(gè)接近開關(guān)接收信號(hào)，作為PLC控制輸入信號(hào)。因此控制內(nèi)容為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)、兩個(gè)氣缸和兩個(gè)點(diǎn)火器，傳感器信號(hào)作為控制信號(hào)輸入點(diǎn)。加溫模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖3-2所示。

圖 3-2 加溫模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)

3.1.2 油桶噴砂模塊

噴砂模塊結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選擇作為本文的重點(diǎn)部分，因此選擇了應(yīng)用仿真軟件Solidworks對(duì)該部分進(jìn)行建模分析。對(duì)噴砂工序流程順序以及機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)動(dòng)作進(jìn)行分析，噴砂機(jī)要依次完成七步工序，共十四個(gè)動(dòng)作。第一步由氣缸控制翻桶架來完成上桶。第二步油桶輸送到噴砂室，噴砂室倉門氣缸動(dòng)作,使倉門關(guān)閉。第三步噴砂室揚(yáng)起氣缸，使噴砂室揚(yáng)起指定角度。第四步噴砂打磨，提砂電機(jī)、轉(zhuǎn)桶電機(jī)、噴砂電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)完成提砂、轉(zhuǎn)桶、噴砂三個(gè)動(dòng)作，在封閉的噴砂室內(nèi)，提砂電機(jī)需將鐵砂提供給噴砂機(jī)構(gòu)，對(duì)旋轉(zhuǎn)的油桶進(jìn)行噴砂打磨，砂閥氣缸動(dòng)作，打開提砂機(jī)構(gòu)與噴砂機(jī)構(gòu)間通道，噴砂電機(jī)把鐵砂噴向油桶內(nèi)壁，對(duì)油桶進(jìn)行噴砂打磨；打磨60秒后砂閥氣缸動(dòng)作，關(guān)閉流砂口；間隔3秒后提砂電機(jī)、轉(zhuǎn)桶電機(jī)、噴砂電機(jī)停止提砂、轉(zhuǎn)桶、噴砂動(dòng)作。第五步噴砂室揚(yáng)起氣缸動(dòng)作，噴砂室回位。第六步，噴砂室倉門氣缸動(dòng)作，打開倉門。第七步下桶，翻桶架氣缸動(dòng)作，將打磨好的油桶送出。噴砂模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖3-3所示。

圖 3-3 噴砂模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)

3.1.3 油桶整形模塊

整形模塊是整條生產(chǎn)線重要的工藝流程之一。整形機(jī)主要由托桶小車、整形機(jī)構(gòu)兩大部分組成。托桶小車由進(jìn)出桶托板、升降桶托板作為控制內(nèi)容，由進(jìn)出桶油缸、升降桶油缸作為動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，對(duì)小車的控制需要六個(gè)傳感器作為信號(hào)輸入點(diǎn)，其中包括上下桶油缸的伸出、收縮的極限位置兩個(gè)，進(jìn)出桶油缸的伸出、收縮的極限位置兩個(gè)，還有升降桶托板的的油桶有無檢測(cè)兩個(gè)，保證油桶位置端正。整形機(jī)構(gòu)由整形輥?zhàn)?、轉(zhuǎn)動(dòng)輥?zhàn)幼鳛榭刂苾?nèi)容，由整形油缸、電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。對(duì)整形機(jī)構(gòu)的控制需要兩個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)，分別是整形油缸的上極限位置和下極限位置，油缸伸出，整形輥?zhàn)由咸嵬Ｖ拐危挥透卓s回，整形輥?zhàn)酉聣赫?。整形過程中，電動(dòng)機(jī)需9次啟動(dòng)停止，每次對(duì)油桶整形三分之一，然后停止電動(dòng)機(jī)并調(diào)整油桶位置，對(duì)油桶桶身進(jìn)行三周的滾壓整形，保證油桶整形質(zhì)量。整形模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖3-4所示。

圖 3-4 整形模塊機(jī)械機(jī)構(gòu)

3.1.4 油桶拋光模塊

十工位轉(zhuǎn)臺(tái)的功能是實(shí)現(xiàn)油桶的桶底內(nèi)壁、桶體的內(nèi)外壁進(jìn)行剖光、油桶清洗、油桶擦干以及油桶輸出等，本文設(shè)計(jì)的油桶翻新生產(chǎn)線是人工方式將加工完畢的桶進(jìn)行碼垛處理的。十工位轉(zhuǎn)臺(tái)的進(jìn)桶工位通過進(jìn)桶小車將整形完畢的油桶輸送到轉(zhuǎn)臺(tái)，然后轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械手爪對(duì)油桶進(jìn)行抓取，待等小車退出后，轉(zhuǎn)臺(tái)開始轉(zhuǎn)動(dòng)工作，讓手爪抓緊油桶從進(jìn)桶工位移動(dòng)到桶壁拋光工位，即第一工位，當(dāng)油桶軸線轉(zhuǎn)動(dòng)到與工位的桶刷軸軸線同軸時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)需要及時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這里需要注意的是由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，需要設(shè)置一個(gè)傳感器讓轉(zhuǎn)臺(tái)主軸電動(dòng)機(jī)提前停止工作。當(dāng)油桶軸線與桶刷軸軸線同軸的時(shí)候，手爪夾著油桶開始轉(zhuǎn)動(dòng)，1s后第一工位拋光桶刷開始工作。

第一到第九工位主要的組成結(jié)構(gòu)基本相同，都是電動(dòng)機(jī)控制工位進(jìn)給和退出，由電動(dòng)機(jī)控制桶刷轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)桶壁進(jìn)行拋光，在進(jìn)給和退出都有極限位置感應(yīng)開關(guān)作為電動(dòng)機(jī)動(dòng)作的輸入信號(hào)。第一到第四工位為桶壁拋光工位，第五到第七工位為桶底拋光工位，第八工位為清洗工位，需要控制水泵對(duì)油桶進(jìn)行噴洗；第九工位為擦干工位，不同于其他工位的重點(diǎn)之處是第九工位也作為出桶工位對(duì)拋光完成的油桶輸出，需要增加對(duì)承接油桶的承接油缸、輸出油桶的下桶小車和推出油桶的下桶油缸的控制。十工位轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)是本文中的難點(diǎn)之一。油桶拋光模塊主要機(jī)械機(jī)構(gòu)為十工位轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械機(jī)構(gòu)，如圖3-5所示。

圖 3-5 十工位轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械機(jī)構(gòu)

3.2 程序控制邏輯

在油桶翻新過程中，要自動(dòng)完成上桶、燒桶、桶旋轉(zhuǎn)、桶移動(dòng)、桶噴砂、桶整形、桶拋光以及其他聯(lián)動(dòng)配合等多個(gè)動(dòng)作，不但動(dòng)作多，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，而且控制要求嚴(yán)格，由于產(chǎn)品屬于不成熟設(shè)備，所以需要盡可能全面的考慮可能發(fā)生的緊急情況，再加上油桶加工工作環(huán)境惡劣(通常為高溫、粉塵、振動(dòng)、噪聲等)，這就迫使控制系統(tǒng)需要具有很高的可靠性、很強(qiáng)的故障診斷能力和良好的節(jié)能措施，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于油桶翻新生產(chǎn)線的控制主要為開關(guān)量控制，而且PLC具有通用性好、結(jié)構(gòu)小巧、運(yùn)行速度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、粉塵、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下的開關(guān)控制，因此選用PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件。經(jīng)過對(duì)模塊工藝和控制要求等分析，設(shè)計(jì)出以下邏輯控制流程。 

3.2.1 油桶翻新生產(chǎn)線特有的工藝流程 

本文的油桶翻新生產(chǎn)線可以自動(dòng)地干完上桶燒桶，桶底噴砂，桶壁噴砂，油桶整形，油桶拋光，油桶清洗等系列工作。這條油桶翻新生產(chǎn)線以油桶加溫模塊，油桶噴砂模塊，油桶整形模塊和油桶拋光清洗模塊構(gòu)成主要機(jī)械系統(tǒng)。工藝流程主要包括：上桶加溫—噴砂除銹—油桶整形—拋光清洗。在流程中間通過三臺(tái)轉(zhuǎn)桶架以及一套自動(dòng)機(jī)械手爪將整個(gè)工藝流程串聯(lián)起來。油桶翻新生產(chǎn)線工藝流程如圖3-6所示。

圖 3-6 油桶翻新生產(chǎn)線工藝流程圖

3.2.2 自動(dòng)燒桶邏輯控制 

油桶加溫模塊。加溫模塊的加溫設(shè)備分為三個(gè)工位：上桶工位、第一加溫工位和第二加溫工位。第一步，上桶：開始工作由人工將待加工油桶放入上桶工位，上桶氣缸頂起（電磁閥為單相閥），上桶氣缸復(fù)位，油桶進(jìn)入第二工位即第一加溫工位；第二步，加溫：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)使油桶轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)點(diǎn)火器點(diǎn)火，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)間和點(diǎn)火器噴火時(shí)間由觸摸屏選擇，點(diǎn)火器停止噴火同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止；然后翻桶氣缸動(dòng)作，把油桶翻入第三工位（電磁閥為雙相閥），翻桶氣缸復(fù)位；翻桶架復(fù)位同時(shí)第一工位氣缸頂起重復(fù)第一步動(dòng)作，把桶翻入第二工位，然后第二工位和第三工位的電動(dòng)機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)并且點(diǎn)火器點(diǎn)火，旋轉(zhuǎn)然燒時(shí)間由觸摸屏選擇，加溫時(shí)間結(jié)束后第二工位和第三工位點(diǎn)火器與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)全部停止；第三步，出桶：翻桶架氣缸動(dòng)作重復(fù)以上動(dòng)作，將第二工位油桶翻入第三工位，第三工位油桶翻入噴砂模塊第一轉(zhuǎn)桶架。觸摸屏設(shè)有起動(dòng)，停止，復(fù)位，外部設(shè)急停，復(fù)位按鈕。

由加溫第三工位送出的桶到轉(zhuǎn)桶架后，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作180度旋轉(zhuǎn)（電磁閥為雙向閥）旋轉(zhuǎn)到位后等待機(jī)械手爪將加溫后的油桶放進(jìn)噴砂機(jī)內(nèi)，然后轉(zhuǎn)桶架氣缸回位等待承接加溫模塊第三工位翻出的油桶。油桶加溫模塊程序流程圖如圖3-7所示。加溫模塊的時(shí)間節(jié)拍為90s，其中每個(gè)各加溫工位加溫時(shí)間可由條50s，油桶傳送及等待時(shí)間為40s。生產(chǎn)線模塊協(xié)作時(shí)，噴砂模塊機(jī)械手夾取轉(zhuǎn)桶架上的油桶提升300mm的信號(hào)輸入時(shí)為翻桶氣缸工作條件。

圖3-7 油桶加溫模塊程序流程圖

3.2.3 自動(dòng)噴砂邏輯控制 

油桶噴砂模塊。油桶翻入到油桶噴砂模塊第一轉(zhuǎn)桶架后，第一轉(zhuǎn)桶架與第二轉(zhuǎn)桶架轉(zhuǎn)桶氣缸（電磁閥為雙向閥）動(dòng)作，轉(zhuǎn)桶架旋轉(zhuǎn)180度，接著要完成以下動(dòng)作。第一步，桶的輸入：機(jī)械手爪下降到下極限位置，夾住油桶并提高300mm，將油桶順線（順著生產(chǎn)線流動(dòng)方向）送入第一噴砂機(jī)的噴砂室內(nèi)，同時(shí)第一轉(zhuǎn)桶架與第二轉(zhuǎn)桶架回位，然后手爪再次下降至下極限位置，張開手爪放下油桶，接下來機(jī)械手爪提升至上極限位置；第二步，桶的噴砂除銹：噴砂室倉門氣缸動(dòng)作（電磁閥為雙向閥），使噴砂室倉門關(guān)閉；倉門關(guān)閉后噴砂室揚(yáng)起氣缸（雙氣缸：電磁閥為雙向閥動(dòng)作，使噴砂室揚(yáng)起，同時(shí)機(jī)械手爪逆線移動(dòng)（逆著生產(chǎn)線流動(dòng)方向）到極限位置，然后提砂電機(jī)、噴砂電機(jī)與轉(zhuǎn)桶電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，與在電機(jī)啟動(dòng)間隔 3 秒鐘后流砂管氣缸（電磁閥為雙向閥）動(dòng)作，打開砂閥開關(guān)，間隔60s后流砂管氣缸動(dòng)作關(guān)閉砂閥，3秒鐘后電機(jī)停止工作，完成油桶的噴砂除銹工作；第三步，桶的輸出：噴砂室揚(yáng)起氣缸動(dòng)作回到始點(diǎn)，接著噴砂室倉門氣缸動(dòng)作打開倉門，機(jī)械手爪下降到下極限位置再次循環(huán)第一、二步動(dòng)作。噴砂室各動(dòng)作時(shí)間可在觸摸屏選擇，外部設(shè)急停，復(fù)位按鈕。油桶噴砂模塊程序流程圖如圖3-8所示。噴砂模塊每個(gè)工位的工作節(jié)拍時(shí)間為90s，其中噴砂機(jī)調(diào)整動(dòng)作時(shí)間20s，噴砂機(jī)噴砂動(dòng)作50s，油桶傳送及等待時(shí)間20s。生產(chǎn)線模塊協(xié)作時(shí)，拋光模塊轉(zhuǎn)桶架轉(zhuǎn)桶油缸轉(zhuǎn)桶信號(hào)的輸入作為噴砂模塊機(jī)械手啟動(dòng)運(yùn)行條件。
第一轉(zhuǎn)桶架的作用是將油桶旋轉(zhuǎn)180度，讓噴砂機(jī)對(duì)桶底外面進(jìn)行噴砂除銹，由第一噴砂機(jī)送出的桶到第二轉(zhuǎn)桶架，將油桶再次旋轉(zhuǎn)180度，然后由機(jī)械手爪將油桶從第二轉(zhuǎn)桶架送入第二噴砂機(jī)，讓噴砂機(jī)對(duì)油桶內(nèi)壁噴砂除銹。從第一轉(zhuǎn)桶架送出的桶到第五噴砂機(jī)的動(dòng)作程序均按上述三步循環(huán)執(zhí)行。

3.2.4 自動(dòng)整形邏輯控制   

油桶整形模塊。第五噴砂機(jī)的油桶由機(jī)械手爪夾取送到整形機(jī)托桶小車上，完成以下動(dòng)作：第一步，油桶送入：托桶小車升降桶油缸動(dòng)作，使托板提升，把油桶頂起，由進(jìn)出桶油缸動(dòng)作把桶送整形機(jī)內(nèi)，然后升降油桶缸回位回到始點(diǎn)；第二步，油桶整形：整形油缸動(dòng)作，整形輥?zhàn)酉聣海缓笳坞妱?dòng)機(jī)啟動(dòng),控制電動(dòng)機(jī)使油桶旋轉(zhuǎn)1/3周時(shí)，電機(jī)停止，然后整形油缸回位回到始點(diǎn)，由升降桶油缸將桶頂起做姿態(tài)油桶調(diào)整后再回位回到始點(diǎn)，整形油缸再次下壓后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)繼續(xù)整形，以上動(dòng)作重復(fù)9次，對(duì)油桶進(jìn)行3周的整形；第三步，油桶送出：整形油缸回位后，上下桶油缸托起油桶，然后由進(jìn)出桶油缸回位回到始點(diǎn)，將整形好的油桶托出整形機(jī)，最后整形機(jī)推桶油缸將油桶推到十工位第三轉(zhuǎn)桶架上后回位。第二步的動(dòng)作循環(huán)次數(shù)及時(shí)間均可在觸摸屏中選擇。外部設(shè)急停，復(fù)位按鈕。托桶小車上設(shè)置有油桶是否到位的檢測(cè)信號(hào)。油桶整形模塊程序流程圖如圖3-9所示。整形模塊工作節(jié)拍時(shí)間為90s，其中整形機(jī)整形時(shí)間為60s，整形機(jī)調(diào)整時(shí)間為10秒，油桶傳送及等待時(shí)間為20s。生產(chǎn)線模塊協(xié)作時(shí)，噴砂模塊機(jī)械手提升至上極限位置信號(hào)的輸入作為整形機(jī)啟動(dòng)工作的條件。

圖 3-8 油桶噴砂模塊程序流程圖

圖 3-9 油桶整形模塊程序流程圖

3.2.5 自動(dòng)拋光清洗邏輯控制

油桶拋光模塊。這是整條生產(chǎn)線控制邏輯最復(fù)雜的模塊，但將其控制內(nèi)容進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)之后可以分為三套主要的控制邏輯：上桶小車的控制邏輯、狀態(tài)控制邏輯和出桶小車控制邏輯。三套控制邏輯形成三套獨(dú)立的循環(huán)動(dòng)作，但相互之間又需要緊密的配合，因?yàn)槿走壿嬓枰舜私o出特定的啟動(dòng)循環(huán)條件。

在復(fù)位后轉(zhuǎn)臺(tái)處于定位鎖定狀態(tài)并且機(jī)械手爪全部張開。由整型機(jī)送出的油桶送到拋光模塊第三轉(zhuǎn)桶架上后，完成以下動(dòng)作：第一步，上桶：轉(zhuǎn)桶油缸動(dòng)作油桶旋轉(zhuǎn)90度，然后升降桶油缸動(dòng)作油桶提升，接著進(jìn)桶小車退至進(jìn)桶工位起點(diǎn),然后升降桶油缸回位，桶載入小車。進(jìn)桶小車載桶前進(jìn)至進(jìn)桶工位終點(diǎn)，同時(shí)第九工位出桶小車也進(jìn)至第九工位終點(diǎn)，進(jìn)桶工位接近開關(guān)輸入小車到達(dá)位置信號(hào)一，接著進(jìn)桶工位機(jī)械手爪油缸動(dòng)作抓取油桶，現(xiàn)車退至進(jìn)桶工位中點(diǎn)位置等待。進(jìn)桶小車工作節(jié)拍時(shí)間為90s，其中小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間為60s，油桶傳送及等待時(shí)間未30s。進(jìn)桶小車啟動(dòng)條件為第三轉(zhuǎn)桶架轉(zhuǎn)桶位置信號(hào)。

第二步，油桶拋光：出桶小車退出至起點(diǎn)、第三轉(zhuǎn)桶架轉(zhuǎn)桶和升降桶油缸回位、十工位電機(jī)處于停止工作狀態(tài)以及流程順序共同決定了轉(zhuǎn)臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)定位鎖緊狀態(tài)解鎖，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)臺(tái)接收到信號(hào)指令，轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)停止工作，接著定位鎖緊油缸動(dòng)作，由進(jìn)桶工位送來的油桶準(zhǔn)確停止在第一工位。轉(zhuǎn)臺(tái)再次鎖緊后，進(jìn)行以下流程動(dòng)作：一，上桶工位動(dòng)作流程條件滿足啟動(dòng)；二，接近開關(guān)信號(hào)三，給出第一到第九工位工作流程啟動(dòng)條件，九個(gè)工位工作方式基本相同；三，待拋光完成后，給出接近開關(guān)信號(hào)四信號(hào)指令，第九工位完成出桶流程。在這套流程中，流程動(dòng)作一為上桶流程，流程動(dòng)作二微拋光流程，流程動(dòng)作三為出桶流程。三個(gè)流程互相給出動(dòng)作信號(hào)聯(lián)合動(dòng)作。其中拋光流程的具體流程動(dòng)作為：轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊后，機(jī)械手電機(jī)收到信號(hào)指令啟動(dòng)，油桶開始由機(jī)械手帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后工位進(jìn)給電機(jī)與拋光電機(jī)啟動(dòng)，工位進(jìn)給同時(shí)桶刷高速旋轉(zhuǎn)對(duì)油桶進(jìn)行拋光。九工位不同之處在于拋光位置以及功能不同，但動(dòng)作基本一致，第一到第四為桶壁拋光；第五到第七為桶底拋光；第八位清洗工位，工位進(jìn)給同時(shí)動(dòng)作的不是拋光電機(jī)而是水泵電機(jī)；第九位擦干工位，同時(shí)兼具出桶機(jī)構(gòu)。整個(gè)拋光模塊工作節(jié)拍時(shí)間為15分鐘。模塊中每個(gè)工位的工作節(jié)拍時(shí)間為90s，工位節(jié)拍可依照轉(zhuǎn)臺(tái)兩種狀態(tài)分配：轉(zhuǎn)臺(tái)鎖緊狀態(tài)80s和轉(zhuǎn)臺(tái)解鎖狀態(tài)10s。鎖緊狀態(tài)時(shí)間依次分為工位進(jìn)給10s、加工油桶50s、工位退出10s、第九工位下桶10s。

第三步，出桶。當(dāng)油桶完成三次拋光流程后，給出工位拋光完成信號(hào)四，第九工位機(jī)械手爪停止轉(zhuǎn)桶，承接油缸頂起承接油桶，然后機(jī)械手爪油缸回位放開油桶，承接油缸回位將油桶放到出桶小車上，然后出桶小車將油桶托至第九工位起點(diǎn)，給出解鎖轉(zhuǎn)臺(tái)定位鎖緊狀態(tài)條件，接著推桶油缸動(dòng)作將油桶推出生產(chǎn)線，然后退桶油缸回位等待，完成流程。油桶拋光模塊程序流程圖如圖 3-10 所示。

圖 3-10 油桶拋光模塊程序流程圖

3.3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件組成在以“輸入設(shè)備-控制設(shè)備-輸出設(shè)備”為參考的系統(tǒng)中，可將其分為本文的控制系統(tǒng)根據(jù)輸入輸出點(diǎn)位估算，將控制組成元件按照生產(chǎn)線模塊組成分配到四個(gè)控制柜中，分別定義為一號(hào)控制柜：對(duì)油桶加溫模塊和油桶噴砂模塊進(jìn)行控制；二號(hào)控制柜：對(duì)油桶整形模塊進(jìn)行控制；三號(hào)控制柜和四號(hào)控制柜對(duì)油桶拋光模塊進(jìn)行控制。一號(hào)控制柜控制的加溫模塊和噴砂模塊根據(jù)工藝流程的分析，程序邏輯主要以順序控制為主，程序設(shè)計(jì)上可采用模塊化編程方式，本章以一號(hào)控制柜的設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容作為設(shè)計(jì)實(shí)例分析。

3.3.1 控制柜硬件系統(tǒng)組成配置

以一號(hào)控制柜為例，設(shè)計(jì)控制柜的硬件配置。控制柜硬件組成除了控制柜箱體，機(jī)架、信號(hào)線、通信線等材料外，一般包括以下元器件：PLC、24VDC開關(guān)電源、斷路器、接觸器、繼電器、接線端子等，還包括監(jiān)控硬件設(shè)備觸控屏等。

1）斷路器

斷路器具有控制和保護(hù)的雙重作用。作為一個(gè)控制柜的總電源控制開關(guān)，作用是對(duì)控制柜的總電源控制和保護(hù)，這個(gè)開關(guān)是控制柜必備的元件之一。一般可以選擇空氣開關(guān)，它是斷路器的一種，它的適用的電壓等級(jí)在500V以下，而斷路器適用于220V以上且可以有更強(qiáng)的負(fù)荷承受能力。課題中選用的總電源斷路器為德力西的塑料外殼式斷路器，型號(hào)為CDM1-225L/3000，下表3-1為產(chǎn)品參數(shù)。

表 3-1 總電源斷路器參數(shù)

除了總電源的控制和保護(hù)還要對(duì)控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)保護(hù)，接在接觸器的上口，選用斷路器為德力西的塑料外殼式斷路器，型號(hào)選擇為DZ108-20；并選取小型空氣開關(guān)作為啟動(dòng)電機(jī)電源控制，型號(hào)為DZ下表3-2為產(chǎn)品參數(shù)：

表 3-2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器參數(shù)

2）PLC

PLC分為一體式和模塊式兩種，依照系統(tǒng)規(guī)模、控制復(fù)雜程度以及控制要求進(jìn)行選型。由于PLC技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟了，每一種型號(hào)都能具備用戶所需要的控制要求，而且可支持模塊化拓展。本文的控制系統(tǒng)規(guī)模為中小型，加溫模塊和噴砂模塊控制以線性順序控制為主，一號(hào)柜的輸入點(diǎn)數(shù)為42個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為31個(gè)，同時(shí)考慮需要的25%的冗余量，選用西門子PLC200系列即可滿足控制要求，拓展兩個(gè)模塊增加點(diǎn)數(shù)。型號(hào)如下表3-3所示：

表 3-3 PLC選型參數(shù)

3）24V DC的開關(guān)電源

盡管大多數(shù)的PLC都是自帶24VDC的電源，但為提高電源的使用效率并且降低電源自身的功耗和發(fā)熱量，可選用24V DC開關(guān)電源，直流開關(guān)電源選擇明威S-100-24，型號(hào)參數(shù)如表3-4所示。

表 3-4 開關(guān)電源參數(shù)

4）觸控屏

觸控屏是進(jìn)行人機(jī)交互的媒介，操作人員能通過觸控屏對(duì)生產(chǎn)線全局的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，需要工程人員在觸控屏上進(jìn)行監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。因此觸控屏的選擇除了要有很好的兼容性外，更重要的是要設(shè)置有通信所需要的通信接口、高效的數(shù)據(jù)傳輸速率以及友好的交互的界面配置。對(duì)于觸控屏的型號(hào)選擇為西門子SMART  1000IE V3，可支持組態(tài)軟件WinCC Flexible的應(yīng)用。參數(shù)如下表3-5所示。

表 3-5 觸控屏參數(shù)

5）接觸器

接觸器是一種可以實(shí)現(xiàn)交流或直流回路快速切斷、可頻繁接通與高達(dá)800A的大電流的電路控制裝置，接觸器的作用不止是可實(shí)現(xiàn)快速頻繁地接通、斷開電路，還可以作為低壓釋放保護(hù)裝置，在加溫模塊和噴砂模塊，需要選擇接觸器作為電動(dòng)機(jī)控制器件。接觸器型號(hào)選擇為正泰CJX1-16/22交流接觸器，額定控制電源電壓為220V 50Hz。

6）繼電器

繼電器可以控制輸入回路和輸出回路，在自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為常用器件，它是一種通過較小的電流去控制較大電流的“自動(dòng)開關(guān)”。繼電器功能種類很多，本文的控制柜主要選用時(shí)間繼電器、電磁繼電器。時(shí)間繼電器控制點(diǎn)火器燃燒時(shí)間，電磁繼電器則是作為控制電機(jī)、氣缸等執(zhí)行設(shè)備的中轉(zhuǎn)器件。型號(hào)如表3-6所示。

表 3-6 繼電器參數(shù)

7）接線端子

接線端子是控制柜不可或缺的元件，有許多信號(hào)線或是供電線需要經(jīng)過接線端子進(jìn)行連接，他的作用是作為控制柜內(nèi)部、控制柜與外部線路、控制柜與控制柜之間進(jìn)行連接的端口來使用的。數(shù)量需要根據(jù)信號(hào)數(shù)量來配置。

3.3.2 控制柜I／O點(diǎn)分配 

控制系統(tǒng)組成的輸入輸出點(diǎn)包括檢測(cè)元件(光電、真空和接近開關(guān)等)輸入信號(hào)、控制元件(交流接觸器、電磁閥等)以及執(zhí)行元件(電機(jī)和氣缸等)輸出指令和人機(jī)操作界面(按鈕、指示燈等)的輸入輸出信號(hào)等。 

根據(jù)對(duì)于生產(chǎn)線的分析，一號(hào)控制柜涉及的控制對(duì)象為加溫和噴砂兩部分系統(tǒng)，一共包括42個(gè)輸入點(diǎn)、31個(gè)輸出點(diǎn)，因此選擇的PLC主機(jī)CPU226CN型號(hào)模塊外，增加了兩個(gè)數(shù)字量模塊增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，電源等級(jí)均為24V。輸入繼電器(I)、輸出繼電器(O)的序號(hào)是由基本單元開始，按連接順序分配十六進(jìn)制數(shù)碼。其觸點(diǎn)形式為二開二閉，10A/24VDC，帶LED。油桶翻新生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)一號(hào)控制柜所控制的加溫模塊和噴砂模塊的輸入輸出分表如表3-7、3-8所示。

表 3-7 柜輸入分配表

表 3-8 柜輸出分配表

3.3.3 控制柜設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)供電電源包括PLC的工作電源、輸入信號(hào)電路電源、輸出電路電源。PLC工作電源在我國(guó)優(yōu)先選擇220V交流電源，特殊情況選擇24V直流電源。輸入信號(hào)電源利用PLC內(nèi)部提供的24V直流電源，或者采用控制柜內(nèi)設(shè)置的24V直流開關(guān)電源。圖3-11為控制柜PLC供電原理圖。

圖 3-11 PLC供電原理圖

控制柜輸入輸出端子接線圖如圖3-12所示：

圖 3-12 控制柜輸入輸出端子接線圖

綜合以上主要組成硬件所選型號(hào)，控制柜的組成及設(shè)計(jì)如圖3-13所示。

圖 3-13 控制柜的組成及設(shè)計(jì)

3.4 本章小結(jié)

本章完成了油桶翻新生產(chǎn)線的工藝流程分析，分配了控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)，完成了控制系統(tǒng)以一號(hào)控制柜為例的硬件組成設(shè)計(jì)等任務(wù)，在此基礎(chǔ)上完成了生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框架的搭建。