基于西门子PLC的弹簧腿总成装配台控制系统的设计与实现

韩艳（长春一汽蓝迪自动化工程有限公司，吉林 长春 130000）

孙杰（博世汽车部件（长春）有限公司，吉林 长春 130000）

现有的弹簧腿总成装配台大多数为使用一台伺服电机[1]，使得其只能对长度相同或变化不大的弹簧进行压缩装配，生产类型单一，难以满足目前工厂对多样性的要求。本文通过增加一台伺服电机控制在不同位置对弹簧的固定，只需简单调试记录其相应的行程，即可完成完整的压缩装配过程，实现了不同长度弹簧在同一个装配台的混合生产。

1 总体方案及流程

1.1 弹簧腿总成装配台的整体布局

弹簧腿总成装配台每次可同时生产一对弹簧腿总成，涉及人工参与的为放置减震器，放置弹簧以及放置隔振块，其余过程全部自动完成。该设备共设16个气缸，每个气缸上装有2个磁性开关，用于反映气缸动作状态，是处于上位还是下位；正常情况下，气缸动作后，必定有一个磁性开关发号，以反映气缸动作正常到位。本系统中其中一个挡块气缸由伺服电机控制其高度，如图1中①所示，根据不同的弹簧腿总成种类，挡块气缸设置为不同的高度。

图1 弹簧腿总成装配台布局图

1.2 弹簧腿总成装配台的逻辑流程

弹簧腿总成装配台是一种动作复杂的装配台，其工作逻辑流程如图2所示。首先确定所有气缸处于初始位置，然后通过上位机下载所要生产的弹簧腿总成类型。放入减震器并扫描二维码，装配台检测到减震器正确并占位后自动夹紧。然后放入弹簧，按下双手按钮后装配台自动进行对弹簧的扶正、夹紧、压缩以及通过影像识别对弹簧种类进行确认的过程。当压缩完成后，放入隔振块、螺母，再次按下双手按钮后电动扳手自动下降拧紧。当所有过程结束时，装配台自动将组装合格的弹簧腿总成放置到初始位置，则完成了整个装配的过程。在此过程中，一旦中途出现不合格情况，系统自动返回到上一步进行纠正，考虑到螺母的螺纹耐力性，当电动扳手拧紧不合格时，即认为该螺母失效，需要进行更换，更换3次仍然不合格时，认为该弹簧腿总成安装失败，需要将隔振块人工取走，取走后按双手按钮，装配台完成自动下降拆卸。

图2 弹簧腿总成装配台逻辑流程图

2 电气控制系统设计

2.1 硬件设计

该系统主控制器采用西门子公司的300系列PLC[2]。设备上的传感器、按钮、电磁阀、信号灯等开关信号连接到PLC的I/O模块上，电动扳手等设备都通过PROFIBUS现场总线技术传输信号和数据到主控制器，从而保证了数据通讯的准确性、可靠性和实时性。为了做到更好的人机交互，配备了西门子公司的人机界面，显示工件的实时信息，方便操作人员和管理人员实时查看装配台的压装信息。同时PLC上有工业以太网接口，与上位机通讯，在上位工控机上可以监视设备运行状态。采用研华公司的工控机作为上位监控系统，组态王与主控制器PLC交换数据，将装配台的一些加工状态数据保存到数据库里。考虑到装配台能够进行不同配方生产，在人机界面中做了生产品种的选择项，使得装配台能柔性的满足各种产品的生产需要。

2.2 软件设计

该系统软件设计的关键在于将二维码条码枪及LENZE伺服控制器与西门子PLC进行数据传输。

该系统采用的二维码条码枪为串口通讯模式，为了将其与西门子PLC相连接，需要在机架上增加CP340模块[3]，然后使用STEP 7库文件中发送功能块及接收功能块：Libraries→CP PtP→CP340→FB3 P_SENT、Libraries→CP PtP→CP340→FB2 P_RCV。调用功能块后得到的为16进制数，为了使程序简单，采用模块化编程，将16进制数依次转换为字符格式，最终再将字符组合成字符串在程序中进行对比，同时在HMI上显示。

LENZE伺服电机控制器有其专用的编程软件Engineer HighLevel，本系统使用其2.17.0.0版本。在其Application Parameters中将使用的伺服电机进行硬件及通讯配置，以便与电脑及PLC进行连接。设置结束后可通过FB Editor对伺服控制器进行编程，如图3所示，列出的为对伺服电机位置和速度的编程方式。最后在All parameters中找到控制器运行参数的word，将其与PLC中的控制字和状态字依次对应，即可实现LENZE伺服控制器与西门子PLC进行数据传输。由此可见，当需要修改伺服电机速度等参数时，不必依赖于PLC，通过LENZE伺服电机控制器的专用编程软件即可修改，并且简单易懂，极大的减少了编程的工作量和繁琐程度，提高了编程人员的工作效率。

图3 Engineer HighLevel 编程界面

2.3 软件实现

在伺服电机控制器中，首先需要对伺服电机参数进行设置。本系统中的伺服电机配置的为绝对值编码器，绝对值编码器具有位置唯一，无需记忆，无需寻找参考点等特点，因此具有稳定的抗干扰特性和数据可靠性， 通过Engineer HighLevel设置零点后，编码器位置即可固定，进而通过PLC进行控制。

该装配台共三种控制方式：自动方式、手动方式、维修方式。在正常生产时，使用自动方式，对生产数据进行全面的传送与记录，显示各工位的生产状态。启动工位电动扳手，左右设备同时满足上一步条件后才能进行下一步动作。手动方式适用于装配未调试配方，即新的弹簧腿总成类型，对不合格件的拆除。相关的按钮在人机界面手动操作画面上，如图4所示。手动操作共有12组画面组成，分别表示不同元件的动作。该画面用于手动的操作及指导，点击相应按钮进入对应气缸或伺服电机的操作画面，如图5所示，然后通过右下角的上一步下一步进行操作选择。当生产出弹簧腿不满足工艺要求时，需要手动进行拆除。点击子页面的返回按钮即回到手动操作的主页面。维修方式用于对设备的维修。

图4 弹簧腿总成装配台手动总界面

图5 弹簧腿总成装配台手动详细界面

人机界面编程软件使用的是西门子的WinCC Flexible，位于装配台悬臂上，共有22组画面，用于指导生产装配与故障维修，各组画面可进行随意的切换，根据生产的需要找到其相应画面进行查看，如图6-7所示。当需要下载配方、清除扳手数据等操作时，设置了相应的密码，从而避免操作人员的误操作，使得系统更加的稳定可靠。

图6 弹簧腿总成装配台主界面

图7 弹簧腿总成装配台条码界面

3 结语

本系统通过增加一套伺服电机与PLC的结合，达到了在同一个装配台上生产不同品种弹簧腿总成产品，提高了不同产品的混合生产率，降低了机器及人工成本。由于全系统自动化生产，提高了产品的合格率和生产稳定性。利用伺服控制器编程减少了PLC编程的繁琐程度，在以后对生产精度要求严格的系统中，可充分利用该方法。

[1] 嘉男. 伺服电机应用技术[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[2] 孙海维. SIMATIC可编程序控制器及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[3] 邓雁妮, 孙勇, 谢磊. 基于CP340的PLC与RKC温控仪表通讯的实现[J]. 电气自动化, 2006, (06).