西门子模块6GK7343-1EX30-0XE0参数方式
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产品描述

产品规格模块式包装说明全新

西门子模块6GK7343-1EX30-0XE0参数方式


:介绍了白车身机器人焊接生产线系统的组成,设计了白车身车门加工的工艺流程;以西门子S7—200为控制器设计了生产线的控制系统,并详细地对PLC的选型,硬件的设计和软件编制的流程进行了说明;给出了PLC的f/o接口图和详细的接线图,编制r了PLC与机器人的通讯协议,对夹具体的自动识别技术原理进行了深入探讨;以模块化编程为基础进行编程,实现了系统的稳定性和可扩展性。





0前言


汽车制造业的自动化生产线早可追溯到20世纪20年代的福特生产线,历经了手工——(半)自动刚性——(半)自动柔性生产线等不同发展阶段。目前,流行了半个多世纪的美国福特公司的单一品种、大批量生产模式已被日本丰田公司的多品种、中小批量生产模式所替代。随着汽车T业的发展和自动化水平要求的不断提高,焊接机器人在汽车白车身制造中得到了越来越多的应用。在汽车行业的制造模式步入按用户要求进行柔性加1二的精益生产阶段,激光焊接技术正向高速度、、高柔性、、智能化、集成化的方向发展,基于激光焊接机器人的白车身生产线系统的开发具有十分重要的意义。


PLC是一种实现控制功能的工业控制计算机,由于它具有功能强,性高,环境适应能力和抗干扰能力强,以及接线简单,编程灵活、方便等特点,因此在各类生产线的控制系统中得到了广泛的应用。本文从自车身系统实际出发,用PLC设计了白车身生产线的控制系统与机器人进行通讯,满足了系统顺序控制的要求。


l 白车身系统的组成




白车身是指尚未进入涂装和内饰件总装阶段之前的车身,它是轿车的动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰件等轿车子系统的载体,是轿车动力性、舒适性.平顺性等性能的载体,是轿车外观形象、外观质量的载体。因此,轿车白车身制造是轿车总车制造中一项关键的制造技术。本系统针对白车身的车门部分进行焊接加工设计。如图1所示,工位为小件焊接,负责焊接玻璃导槽、防撞杆。二工位为内板焊接,负责焊接铰链加强板、门锁加强板、内装饰带加强板。三工位为内板焊接,负责焊接玻璃导槽、外装饰带加强板、防撞杆,焊接完即成内板总成。四一位为外板焊接,负责焊接外板窗框,焊完即成整个车门。台机器人负责,四这两个工位的激光搭接焊,二台机器人负责二、三两个工位中的激光填丝焊。生产线的物流方式,均采用液压手推车,搬运方式均采用人工搬运。系统中两台激光焊接机器人共用一个激光焊接器,采用分时操作的方法,即在同一时间内只有一台机器人使用激光器工作。为了保证整个生产线T作的效率,另一台机器人则可以进行不需要使用激光器的位姿操作。


2基于PLC控制系统的组成




焊接生产线控制系统结构如图2所示,主要由激光焊接机器人及控制器、PLC控制系统、夹具系统、助力臂系统和现场监控系统组成。系统通过PLC控制器控制激光焊接机器人及夹具系统按程序设定的顺序动作,实现车门按照规定的工艺流程进行加工;控制焊接机器人激光器的功率按照焊接工艺要求进行调节;控制焊接机器人的激光器按照操作顺序要求进行分时调节,实现一个激光器为两个激光焊接机器人供光。现场监控系统实时监控、记录激光焊接机器人的运行状况,并能对加T轨迹进行实时跟踪。在电气柜操作台上装有PLC的运行状态指示灯以及对系统进行手动控制的按钮。


3 PLC控制系统的设计


PLC在整个生产线中处于的控制地位。负责协调机器人和夹具、机器人与激光器、机器人与焊接电源的动作,并对现场按钮与显示灯进行控制。PLC与机器人的通讯是整个系统的关键,同时PLC能对夹具体的软件进行自动识别,大地方便了对系统夹具体的维护和对生产线功能的扩展。PLC软件的模块化编程对系统稳定性起到了重要的作用,也大地方便了对系统的调试和检测。


3.1 PLC的硬件设计


系统有4个工位。每个工位上装有一套夹具,每套夹具上的气缸为一组,由一个三位五通电磁换向阀来控制。每个气缸配有两个位置传感器(干簧管磁性开关),为了方便对夹具体进行识别,每套夹具上气缸的数量不一样,根据位置传感器数量的不同来进行夹具体的区分。气缸个数多为7个(为4,5,6,7),故整个生产线的气缸位置传感器的输入点多为2×(4+5+6+7)一44点,每组气缸由一个三位五通电磁换向阀来控制,4个工位共需要2×4—8个控制输出点。加上机器人的通讯接口和夹具体识别的8个输入按钮以及系统的各类显示灯,总输入输出点不过200个。考虑系统的可扩展性和稳定性,选用性价比较高的西门子S7—200系列PLC作为本生产线的控制器。


S7—200采用模块化设计,紧凑的结构、良好的扩展性、低廉的价格,强大的指令以及大的输入输出电压范围,使其在解决工业自动化问题时,具有很强的适应性。由于整条生产线的4个工位布局紧凑,PLC与I/o的距离较近,不需要采用远程I/o模块,每个工位上气动阀的动作信号和气缸位置的检测信号都与PLC的I/o口直接相连。同时,电气柜操作台上的按钮和状态指示灯也直接与PLC的输人输出口相连接,故选择S7—200的CPU226和扩展模块EM222、EM223,就能满足系统控制的要求。具体I/O对现场按钮与显示灯进行控制。PLC与机器人的通讯是整个系统的关键,同时PLC能对夹具体的软件进行自动识别,大地方便了对系统夹具体的维护和对生产线功能的扩展。PLC软件的模块化编程对系统稳定性起到了重要的作用,也大地方便了对系统的调试和检测。


3.1 PLC的硬件设计


系统有4个工位。每个工位上装有一套夹具,每套夹具上的气缸为一组,由一个三位五通电磁换向阀来控制。每个气缸配有两个位置传感器(干簧管磁性开关),为了方便对夹具体进行识别,每套夹具上气缸的数量不一样,根据位置传感器数量的不同来进行夹具体的区分。气缸个数多为7个(为4,5,6,7),故整个生产线的气缸位置传感器的输入点多为2×(4+5+6+7)一44点,每组气缸由一个三位五通电磁换向阀来控制,4个工位共需要2×4—8个控制输出点。加上机器人的通讯接口和夹具体识别的8个输入按钮以及系统的各类显示灯,总输入输出点不过200个。考虑系统的可扩展性和稳定性,选用性价比较高的西门子S7—200系列PLC作为本生产线的控制器。S7—200采用模块化设计,紧凑的结构、良好的扩展性、低廉的价格,强大的指令以及大的输入输出电压范围,使其在解决工业自动化问题时,具有很强的适应性。由于整条生产线的4个工位布局紧凑,PLC与I/o的连接见图3。





     图4是PLC输入输出点的接线图。为表达清晰,图中只列出一部分输入输出点进行说明。10.0为手动自动切换按钮输入,按下为自动操作,系统将按照自动程序模块运行,此时手动操作的按钮失效;断开为手动操作,可通过手动按钮对系统进行控制。Io.2~10.5为工位到四工位的单操作按钮,能对系统进行单个工位的操作调试。11.o~12.1为位置传感器,检测气缸的动作位置。12.3为温度传感器,对系统起限流保护作用。12.2为压力传感器,有一定的压力允许范围,当系统压力出允许范围时,传感器就会自动切断整个生产线电源,避免事故发生,对系统起保护作用。系统的输出QO.1~QD.4通过控制2个三位五通电磁阀来控制气缸的伸缩,进而控制央具体的夹紧和松开。Q1.O~Q1.4为气缸的位置显示灯,当气缸到达设定的传感器位置时,绿灯亮表示系统的操作运行正常。而在操作指令完成后的设定时间内仍未到达设定位置时,则闪烁红灯进行提醒,系统同时启动报警程序。Q1.5~Q1.7为系统运行状态的三色指示灯,显示当前系统的工作状态,方便操作人员进行操作。


3.2 PLC的软件设计


3.2.1 PLC与机器人的通讯协议


在生产线中PLC与机器人控制器分别编程,PLC与机器人的通讯是整个生产线的问题,定义好PLC与机器人的通讯协议很关键。PLC与机器人之间采用问答式的串口通讯(通讯数据的组成由下表1,表2所示)。PLC发送给机器人的指令内容是通知机器人执行焊接或者是位姿操作的不同动作,机器人发送给PLC的指令内容则是通知PLC机器人执行相关动作的完成情况。




PLC根据机器人的通讯指令进行下一步的操作。整个通讯的性由起始符,BCC检验码和结束符来保证。在串口的通讯过程中,指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲,此时的指令当然是错误的,为了侦测指令在传输过程中发生的错误,接收方对指令作进一步的确认工作,以防止错误的指令被执行,简单的方法就是使用校验码。BCC校验码的方法就是将要传送的字符串的ASCII码以字节为单位作异或和,并将此异或和作为指令的一部分传送出去;同样地,接收方在接到指令后,以相同的方式对接收到的字符串作异或和,并与传送方所送过来的值作对比,若其值相等,代表通讯正确。


3.2.2 PLC与机器人的交互软件设计


系统启动后,PLC与机器人控制器上电复位,对系统夹具的各传感器初始状态和各按钮的开闭状态进行扫描,将检查结果同程序存储中的模块参数进行比较,选择参数一致的模块执行,同时控制三色灯显示生产线目前的工作状态。PLC软件模块设定的动作完成后与机器人通讯,机器人控制器根据PLC的通讯指令,通过与控制器存储器中的相关指令进行比较,选择执行对应的模块程序,进行焊接作业或者位姿操作。在焊接时,机器人控制器通过控制焊机激光器的电源电流的大小和通断时间来实现既定的焊接工艺参数,按照程序既定的焊接路径进行焊接。机器人完成相应操作后通过通讯端口与PLC通讯,通过相应的通讯指令通知PLC操作完成。


PLC根据机器人控制器的相应通讯指令进行下一步的操作,操作完成后再与机器人通讯,直到完成整个焊接任务。PLC与机器人的程序具体流程图见图5和图6。




PLC系统采用模块化编程的方式,将各个不同的立操作编写成不同的子程序模块,通过有条件的选择和调用来实现我们顺序控制的要求。这样可以大大简化控制软件的设计,使软件设计和调试具灵活性,提高了系统运行的性,保证整个系统协调、有序地完成焊接要求。


3.2.3夹具体的自动识别软件设计


PLC对夹具的控制实现了夹具体的自动识别。每套夹具上的气缸数量不一样,电磁阀的数目不一样(根据每套夹具体气缸分组情况而定),而且气缸存在使用和不使用的问题,气缸的到位情况也有检测和不检测之分,根据这些参数构成夹具体的控制字,对夹具体进行区分和编号存储。在控制台上设置8个控制开关按钮作为夹具体的编号输入,通过显示屏进行夹具体的编号显示。在PLC程序上,每次程序循环中都对夹具编号的输入点进行扫描,并放入暂存区,同时与记忆区中的夹具编号进行比较。如果两者相同,则表明该工位上的夹具状态正常,任何动作,直接执行相应的程序模块;如果不同,则提示夹具编号变化,需操作员确认,此时又分为两种情况:有新夹具换上工作台,且系统已经正确识别出新放入的夹具的编号,那么操作员需要在触摸屏上确认该夹具编号的正确性。


如果放上的夹具以前在该系统中使用过。则需对该夹具的控制字进行正确设置后写入PLC数据区;如果该夹具曾经在本系统中使用过至少一次,即数据区中保留有该夹具号对应的控制信息,那么操作员在确认夹具编号后,该夹具的控制信息会由系统以间接寻址方式自动调用出来,并显示在触摸屏上,确认无误,即可开始生产。由于硬件故障(连线断裂、网络故障等)造成自动识别出的夹具编号与实际不符时,(识别出错)可通过强行写入正确夹具编号的方式来让系统进入正常工作模式进行生产,待完成任务后再进行维修等操作,以缓解生产压力。具体的过程见图7。




4结束语


利用PLC功能强,性高,环境适应能力和抗干扰能力强,以及接线简单,编程灵活、方便等特点实现激光焊接机器人生产线控制的方法,能保证系统和稳定地工作,通过PLC与焊接机器人的交互通讯,达到了分散稳定控制的目的。夹具体的自动识别和气动夹具的可调整性增加了系统的灵活性,整个控制系统动作快速敏捷,定位,能满足激光焊接机器人的要求,整个系统的调试和初步实验证明了所设计系统的有效性。了解多PLC技术、资讯、分析报告文章,请点击查看//plc./ 2011年PLC企业“爆”团,新鲜技术全接触。


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为提高播种质量,满足现代农业生产精量播种的需求,通过对已有气动射种机构工作原理进行分析后,应用PIG可编程控制器实现了对该机构气动射种过程的自动控制。试验表明,基于PLC控制的气动射种机构控制精度高,播种深度符合要求。





随着农业科技的不断发展.气力式播种原理已运用于各种播种机械,由于具有播种速度快、,且不伤种等特点.国内外自上世纪50年代起就开始了对该技术的研究?。但就已有的采用该技术作业的播种机.将近以上均采用气吸式播种.而气射式播种技术依旧处于试验研究阶段。刁培松等根据“射水成穴播种原理”提出了气射播种理论?.设计了气动射种机构,但该机构控制复杂,不利于推广。


近年来.单片机、PLC等多种控制技术应用到了农业机械领域中.以实现生产的控制化与自动化?。可编程控制器PLC(Programmable logic con.troller)主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成.是一种有较好的抗干扰性能、防震性能且操作简单、使用和维护方便、价格低廉的控制器。针对已有气射装置存在的问题,利用PLC控制器来实现对该机构射种过程的控制是一个很好的尝试。


1 已有气动射种机构工作原理及存在的问题


1.1 工作原理




已有气动射种装置结构[31如图1所示.用凸轮轴将气阀凸轮和气门杠杆凸轮同轴连接.为了保证射种装置的协调工作.在播种机地轮上安装一链轮.通过链条把动力传递到凸轮轴并驱动两凸轮转动。此外。在凸轮轴上安装另一链轮把动力传送到排种器上。以保证射种装置的协调工作。当排种阀在杠杆凸轮的作用下被打开时.排种器把适量种子从种箱中排出.并在重力作用下滑落到射种腔内部.随后杠杆凸轮由点转动至点.排种阀在弹簧的作用下关闭.同时待气阀凸轮转到点时,气阀打开,排体。在规定压力和流量作用下,把种子射入到土壤预定深度,从而达到气动射种的目的。


1.2存在的问题


由上述工作原理可知.已有气动射种机构的排种器、气阀凸轮、排种阀杠杆凸轮的动力源均来自于地轮的驱动。因此.要使该机构完成一整套排种入射过程,对于动力源的要求是非常关键的:而播种机地轮的动力传递会因耕地地况的高低不平造成传动动力不稳定.加之地轮的滑移现象.会影响该机构排种与气压射种的传接配合.降低播种机的作业效率:此外.在播种过程中,需要操作人员不断地监控种箱种量及储气罐中剩余气压是否满足气动射种所要求的压力值.费时又费力。


2 PLC控制系统设计


2.1 系统结构


通过对已有气动射种机构的组成部件进行调整和换.采用PLC可编程控制器实现对播种机作业过程的自动控制。将播种机的气门杠杆凸轮换为牵引电磁铁.在种箱下部安装了步进电机并与排种器相连接.气阀凸轮换为二位二通电磁阀:在种箱底部和储气罐出口处分别安装下料位传感器和气压传感器以实现对种箱种量和射种气体压力的控制检测:在排种阀杠杆下部安装一凸轮。通过播种机地轮上链条动力的传递驱动.安装一光电传感器并在凸轮的配合作用下发出信号.实现该机构排种过程与机组前进速度的同步控制。由PLC控制的气动射种机构组成如图2所示。




2.2控制系统硬件配置


气动射种机构控制系统主要由两部分构成。其中,启动按钮、停止按钮、下料位传感器、气压传感器、光电传感器组成控制信号输入端,步进电机、牵引电磁铁、二位二通电磁阀组成控制系统输出端,控制系统由拖拉机电瓶供电。该控制系统共需5个输入点,3个输出点,控制器所需的I/O点数较少。属于小型单机控制系统。设计中选用德国西门子公司生产的S7—200型PLC作为该机构控制系统的控制器。该控制器主机结构为整体式.上面有一定数量的I/O点。一个主机单元就是一个系统:可进行灵活扩展,当I/O点不够时。可增加I/O扩展模块:如果需要其他特殊功能.则可增加相应的功能模块。


图3是S7—200型PLC控制系统的输入、输出分配及信号接线图。




2.3基于PLC控制的气动射种原理


在设计的气动射种装置中.PLC控制器主要是对下料位传感器、气压传感器、光电传感器、牵引电磁铁、步进电机、二位二通电磁阀的感应、延时、通电和断电进行检测控制。如图2所示.按下启动按钮,经下料位传感器检测,若种箱种量充足.步进电动机得电工作,步进电机带动排种器转动使种子从种箱进入输种管.对步进电机可进行转速的调整,以实现对播种机构播量的控制。


凸轮随着播种机地轮链条的驱动而转动.凸轮与地轮转速比可通过田间作业需要进行调节,当凸轮转至点时,遮断光束.光电传感器发出信号.牵引电磁铁通电带动气门杠杆将射种腔部的排种阀压下。种子依靠自身的重力通过排种阀进入射种腔。待通电延时4 s后牵引电磁铁断电,排种阀闭合;可通过电磁铁通、断电对排种阀开启与闭合的控制来实现对播种作物株距的控制。此时.若气压传感器没有发罐气压不足的信号.则二位二通电磁阀通电.气体由气阀进入射种腔,通电状态持续3 s。种子在高压气体作用下加速运动.随即射入土壤.完成一个射种过程。基于PLC控制的气动射种机构控制原理见图4。




3试验结果分析




通过对以PLC为控制系统的气动射种机构在播种深度及下料位传感器和气压传感器的检测性等指标进行测定.分析判断PLC控制系统对该射种机构的实际控制效果。如表1所示。基于PLC控制的气动射种机构播种深度平均值为39.6 mm,合格率达93.2%,符合播种标准要求;下料位传感器和气压传感器对种箱种量和储气罐排气压力检测性分别为96.7%、93.4%,提高了气动射种机构的田间作业效率。


4 结论


与已有气动射种机构相比.基于PLC控制的气动射种机构系统工作.实现了播种过程的自动控制。试验表明.基于PLC控制的气动射种机构播种深度满足试验地33~46 mm的播种农艺要求:下料位传感器和气压传感器的检测率均达以上.可对气动射种机构播种时出现的问题判断容易直观,减轻劳动强度.提高作业效率。随着气力式播种技术的不断发展.对播种机控制系统的要求也将日渐增高.而PLC控制器的扩展功能正适应于这一要求。本设计也为我国气射式播种机的播种过程控制研究提供了参考依据。

在高温、重载、多粉尘的危险环境中,应用工业机械手来完成操作就显得尤其必要。为实现板材生产线上板材的自动搬运,设计了一套气动吸盘式工业机械手,用PLC 作为主控制器,用此装置代替人工上下物料,不但减轻了工人的劳动强度,还大大提高了劳动生产率。





1 引言


在当今工业生产中应用工业机械手可把人类从危险、繁重的体力劳动中解放出来,同时可大地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。物料搬运机械手在高温、重载、多粉尘的危险环境中应用普遍,不但减轻了工人的劳动强度,还大大提高了劳动生产率。本文主要对气动吸盘式工业机械手的机械结构和控制系统进行阐述。所设计的机械手根据实际工作现场需要,利用真空吸附方式抓取,可自动搬运镁合金板材。


2 机械手结构及动作


2.1 工作背景


镁合金板材生产线由熔炉、压铸机、传送带、切割机、物料传送装置等组成,现场工作环境温度高、噪声大,板材进行粗切割后,人工进行板材搬运劳动强度大,所需员工多,工作效率低,导致该岗位员工经常性流失,且人工搬运时容易对板材造成撞伤,影响板材的后续加工。


2.2 工作要求


根据生产线的实际要求,该工业机械手需能实现X、Y、Z 三个方向的移动,另外手爪能抓取和放开工件:(1)X、Y 方向移动范围为0~3500mm;(2)Z 方向移动范围为0~1800mm;(3)手爪采用气动吸盘式,能实现对工件的抓取和放松,大吸附力为300N。


2.3 机械手总体结构


该工业机械手由支架、手臂和手爪组成,控制系统采用PLC+人机界面控制,机械手可以在X、Y、Z 三个方向上移动,并进行定位控制,在人机界面上可调节各轴的动作位置、速度、抓取工件等待时间并实时显示。机械手总体结构图如图1 所示。




3 机械手控制系统设计


3.1 控制要求


(1)通过机械手能实现工件的到位检测、自动抓放,可以对工件吸取位置的X、Y 值进行设置并保存,并可选择2/3 层堆放方式、小层距离堆放方式等。


(2)操作模式分为手动和自动两种。其中手动操作时,可以手动运行到任何一个位置,并可进行原点返回。自动模式下,先开启真空泵,按启动按钮后可进行自动抓放工件操作。分定位和工作两种方式。


(3)自动定位功能。因工件放置架每层焊接高度有误差,自动抓放料工件之前进行定位,即在正常抓取工件之前空载对每层的数据进行检测的操作。自动/手动选择开关选到自动档,工作/定位/选择开关选到定位,再按启动按钮,机柜面板上运行灯亮,机器先上后下,进行定位,定位结束后机器自动停止。


(4)自动计数功能。能实现对抓取工件数量自动计数,机械手每抓取一个工件,计数器值加一。


(5)参数可设定。在触摸屏上能进行参数设定,如工件类型、运行速度等。


(6)报警功能。当机械手自动运行,出现异常停止时,机器蜂鸣器报警,报亮,按复位按钮,蜂鸣器停止,故障灯亮,点击报警画面,对各个位置的错误状态进行显示,这样可以很方便地检查出错误状态,从而提高排除故障效率。如热继电器故障可查看水箱及真空泵供水情况后按打开机柜按RESET 键恢复;如急停故障可拨回急停到原状态;原点检测故障检查原点接近开关状况。当排除故障后,手动操作使吸盘到适当位置,按原点按钮,机械手自动回归到原点,按启动按钮,机械手进入自动状态。


3.2 硬件设计


(1)PLC 的类型选择


OMRON PLC 系列产品在工业控制中应用广泛,适用于检测、监测及控制的自动化。其中以CPM、COM、C200H 系列的应用为特出,其主要性能表现在以下几个方面:性高;操作简单;采用USB 口编程;可扩展性强;内置集成功能丰富;通讯能力强。


基于上述的几方面,所以在本控制系统中选择CPM系列PLC 作为主控器。设计的工业机械手控制系统共有19 个数字量的输入,12 个数字量的输出,共需31 个I/O点,所以选择了CP1H-X40DT-D(24 点输入16 点输出)作为主机。系统组成框图如图2 所示。




(2)I/O 点的分配


用OMRON 的PLC 控制器进行控制,其输入输出分配如表1、表2。




(3)触摸屏选择


触摸屏采用威纶触摸屏MT6056I,用EasyBuilder8000 人机界面软件进行编程,触摸屏包括操作界面、参数设置界面和报警界面。


3.3 软件设计


该控制系统采用日本OMRON 提供的CX-programmerPLC 编程软件进行编程,工作流程图如图3。




4 结语


在镁合金板材生产线采用该气动吸盘式工业机械手进行工件的抓放操作后,现场工作人员由原来的6~8 人减少为2~3 人,降低了劳动力成本,同时提高了劳动生产率。经现场运行调试,该工业机械手运行稳定性好,达到了设计要求,客户使用后反映好。



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