摘 要：在传统的由多台压机组成的锅身冲压生产线的基础上，配备上、下料机械手以及拆垛机构而组成自动化生产线。对自动化生产线的整体方案、机械手、拆垛装置以及其他辅助机构进行设计与分析，提出用ＰＬＣ对整个系统进行控制的方案，详细介绍了控制系统的构建。针对现场调试运行过程中的实际问题，分析了生产线自动化改造过程中的关键技术。
生产自动化作为一种趋势，将渗透到各个制造行业中。随着现代制造技术的发展，冲压生产技术也在向高速化、自动化、柔性化的方向发展。某厂的同一类型锅身冲压年生产在５０万件以上，传统的手工生产耗费大量的劳动力。为节省劳动力、提高生产效率，同时也为迎合制造生产业的发展趋势，该厂提出在原有的传统冲压生产线上，配备上下料机械手而建成自动化冲压生产线。
１ 方案选定
自动化生产线是在流水线的基础上发展而来，它要求生产线上各机械加工装置能自动地完成预定的各道工序及工艺工程。在冲压生产过程中常常需要几道工序来完成，因此，实现冲压生产线的自动化需要在各工序间安置上料与卸料装置等辅助装置来完成工件的定位与装卸。工业机械手是常用于搬运物料的装置，可根据被抓持物件的材料、尺寸、形状、重量和作业要求有多种结构形式，如托持型、夹持型和吸附型等。其运动机构能实现手部的伸缩、升降、旋转等动作。在该项目中，压机是传统的四柱式油压机，上料或卸料时需要完成夹持、升降和伸缩３个动作。采用机械手作为搬运装置，只需此３个自由度，其结构简单紧凑。机械手的驱动方式有多种，常用的有机械传动、液压传动、电气传动、气动传动，几种传动方式的特点如表１所示。
表１ 几种传动方式的机械手的性能比较
在此项目中，机械手搬运的最大锅身质量为２ｋｇ，对定位精度要求可通过首末两端的机械挡块的定位而实现，综合比较以上４种传动方式的特点，根据该项目的实际情况，选择维护简单、技术要求较低的气动传动作为传动方式。
２ 生产线的设计
２.１ 结构设计及整体布局
生产线有３台油压机，分别完成一次拉深、二次拉深与切边。该送料系统共有７台三自由度气动机械手。拆垛部分与第一工位送料机械手相似，由纵向运动的无杆气缸、垂直运动的薄型气缸以及真空吸盘构成。另外５台机械手相似，由纵向运动的无杆气缸、垂直运动的薄型气缸以及气抓构成。如图１所示。
图１ 生产线布局
２.２ 拆垛装置
拆垛装置将料垛分离成单张并传送给后续的工位。该厂用于锅身冲压成形的圆形片料由机打落料，一般８００片码成一垛。在落料过程中料片表面会有一层油膜，容易粘合在一起，不易分开。为保证冲压线安全（当两张或两张以上的料片送入压机进行冲压时会损毁模具）、高效（若是分离后出现双张的频率过高，会影响生产节拍）地运行，必须保证拆垛装置分开料片的效率高，并且需要有检测装置。因此，拆垛装置需要完成３个功能，分离、送料以及检测并清除双料。
送料机构包括丝杆升降机构与送料机械手。丝杆升降机构用于托起料垛，由电机传动。在生产线自动运行过程中，必须保证料垛的上表面处于取料机械手能吸取的范围内。垛料上表面的位置通过光电开关检测，当信号置位时电机停止，当料片被送走后，上表面下降信号复位，电机继续正转带动托料板上升至光电开关被遮光时停止。另外，在丝杆升降机构的动作范围通过在上下各一个机械式行程开关限定。
磁性分离器是金属片料分离中的常用装置，其原理是在强磁场中金属片料被磁化而互相排斥使其分离。在料片送入压机前，双料检测传感器会对料片进行检测，若是一片料则通过，若是多片料则传送装置停止，并由拨料机构将其拨出。
２.３ 传输与对中装置
在自动化生产线上，物料的传送主要有传输带与穿梭小车两种方式，选用由三相异步电机传动的传输带，对中装置示意图如图２所示。
图２ 对中装置示意图
根据不同型号的锅身，活动挡块调整到相应的位置，当工件从传输带上滑落到对中台上时，光电开关检测工件后气缸动作，推动工件至与挡块接触。
２.４ 机械手
为方便安装，机械手采用门式结构。由无杆气缸、薄型气缸直线导轨、型材门架以及其他零部件组成。根据锅身与料片的形状，机械手手部分别采用气抓（图３ａ）和真空吸盘（图３ｂ）。
图３ 机械手
（ａ）气抓机械手 （ｂ）真空吸盘机械手
１．门架 ２．直线导轨 ３．无杆气缸 ４．托架
５．薄型气缸 ６．气抓 ７．真空发生器 ８．吸盘
３ 控制系统构建
３.１ 控制器的选择
在工业控制中，对于控制方案的选择，一般是在满足所实现功能的前提下遵循“稳定、便捷”的原则。通过比较工控机、ＰＬＣ、单片机三者各自的特点，结合该项目中存在的大量开关量、稳定性要求等特点，并考虑到成本等问题，最终选用ＰＬＣ为控制器。在选取ＰＬＣ型号时，一般考虑４个因数：数据储存容量、程序储存容量、扫描时间以及编程要求。在综合对比西门子ＰＬＣ，并根据实际的需要，为该系统选择了西门子Ｓ７－２００。
３.２ 送料系统的基本功能设计及实现方式
（１）送料系统应具有手动调试（点动）和自动运行（连续运动）两种操作方式。手动调试：每按一次按钮，相应的执行元件动作一次，并在动作完成后停止。手动调试主要用于更换模具后调整机械手或模具位置等；自动运行：当启用自动运行模式时，系统的各执行元件按预先设计好的动作顺序连续循环地运行。若期间执行元件发生故障或按下紧急停止按钮时，系统停止运行。手动调试与自动运行模式之间的切换通过在触摸屏上组态切换按钮，同时运行模式的状态也通过按钮的灰度变化来指示。手动调试的各按钮均在触摸屏中组态实现，相应的按钮通过ＲＳ２３２通信与ＰＬＣ中的中间继电器对应，很大程度上减少了系统所需要的输入点。
（２）系统应具有报警功能，当执行元件发生故障时，系统能及时报警并停止运行。在系统运行时，当ＰＬＣ给出输出信号后，相应的动作在一定的时间内没有完成，系统默认为故障。如，当吸盘处于吸取状态时，而３ｓ后相应的压力开关未置位时系统报警，同时通过在触摸屏组态时设置文本此时显示。
（３）系统应具有紧急停止功能，当在手动调试中误操作或自动运行过程中出现问题时能及时停止系统。急停功能在电气设计中实现，在控制面板上设计急停按钮，同时设置遥控开关，可在５０ｍ范围内急停，方便操作。
（４）系统应具有状态显示功能，在系统运行过程中，能显示各执行元件的状态。同时，当执行元件发生故障时，能通过元件的状态及时的判断出故障发生的位置。状态显示在触摸屏中组态实现，将ＰＬＣ中的输入信号与触摸屏中相应的状态关联，显示气缸的位置以及各传感器的状态。
３．３ 程序的设计
为了增强程序简洁性与可读性，整个软件系统采用模块化结构。将主程序中分为初始化程序、手动调试程序、自动运行程序、故障报警程序与执行程序。其中，自动运行程序又分为拆垛子程序、第一工位子程序、第二工位子程序、第三工位子程序，如图４所示。
图４ 程序结构图
初始化程序主要对系统各变量赋值，开机和转换成自动运行时调用。执行程序是为了避免输出地址的交叉引用，使每一个输出地址由手动调试与自动运行中的中间继电器并行触发。手动调试程序中，由触摸屏所组态的按钮连接到ＰＬＣ中的中间继电器，并以相应的中间继电器触发输出。报警程序中，以输出信号的置位或复位来触发延时器，然后通延时器与相应动作的限位开关来判断系统是否出现故障。
每个工位由一台压机、对中台、上料机械手和下料机械手组成。上料机械手的动作顺序为：下降－取料－上升－前进－放料－后退。下料机械手的动作顺序为：前进－取料－后退－下降－放料－上升。但为了提高上料与下料效率，机械手在压机回程过程就开始动作，上料机械手在下料机械手后退时开始前进，并且机械手后退到安全位置时，压机开始压下。以第二工位为例，动作流程如图５所示。
图５ 第二工位动作流程图
对于每一个机械手，在每个气缸完成当前动作后，下一个气缸开始动作。气缸动作是否完成由装在气缸两端的磁性开关判断。为方便地实现图中所示的动作流程，程序中使用顺序继电器指令（ＳＣＲ）。ＳＣＲ指令可以使程序更加结构化，这样可以使编程及调试更加快速和简单。
为保证整个系统运行的安全性，压机与机械手之间必须采取互锁，保证机械手不会在前进的过程中撞在压机上，并保证压机下行到安全位置时机械手完全退出压机。因此，系统需要压机的上死点信号、安全位置信号、压机回程状态信号，同时在机械手前进与后退时需要采集机械手的前进限位、后退限位以及安全位置信号。在压机处于回程状态时取料机械手开始前进，当前进到达其安全位置时系统判断压机是否回程到安全位置以上。根据调节气缸速度与安全位置开关的位置来确保取料机械手在前进到安全位置时压机已经回程到安全位置以上，系统采集压机与机械手安全位置信号并加以判断的目的是确保在非正常情况下系统的安全。上料机械手在后退时也是如此。
４ 结语
冲压自动化生产线是一个由多设备、多环节组成的复杂的系统。因此，生产线中各种设备的设定、调整、联锁、保护等控制系统非常复杂，控制电缆和接线压机、模具、物料、机械手本身、传输装置、气动系统等有任何一个环节出现问题都会影响到生产线的顺利运行。
该生产线是在原来的手工操作的生产线基础上改造而成，这对自动化生产线的生产效率和系统稳定性也有一定的影响。在完成自动化改造后，生产效率由原来的每分钟２．４件提高到每分钟３．７件，效果不理想。造成这些的主要原因在于：
（１）第２次拉深时间很长，用时１４ｓ （压机开始下压到回到滑块回到上限），使整个生产节拍受到影响。其原因在于第２次拉深时，工件变形量比第１次拉深时的变形量大得多，因此，为满足自动化生产的需要，适当的工艺是必须的。
（２）压机型号不一，凸模不在同一水平线上，为满足机械手的安装需求压机空载行程过大。
（３）切边模的设计不够合理。废料必须能自动、顺畅地排入废料槽内。
（４）模具没有安装辅助定位装置，更换模具相当耗时。