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一、概述
汽車轉向泵是一種中高檔汽車用的零部件，它為汽車動力轉向系統提供一種高性能的動力源，與發動機轉速相配合可以產生卓越的轉速流量特性從而使得駕駛舒適。由采埃孚轉向泵金城有限公司投資的轉向泵自動裝配線項目位于南京新港經濟技術開發區，主要生產轎車和輕型商務車用的轉向泵。這種汽車部件由多個零件組成，需要借助不同的設備，按照一定的工序將它們組裝起來。在整個過程中，需要對裝配時的壓力、位移和時間等參數進行實時監控，以滿足嚴格的工藝要求，保證裝配質量。汽車轉向泵自動裝配線是完成上述工序的一組設備，它共有12個工位,以實現不同的裝配功能，其生產流程如圖1所示。
圖1 汽車轉向泵自動裝配線生產流程圖
系統的控制對象包括氣液增力缸式壓機﹑夾具﹑壓力/位移監控儀﹑密封測試儀﹑綜合功能測試儀和智能螺栓擰緊系統等，由于各個工位間相互獨立且有一定距離，因而各采用一臺西門子PLC作為控制器，一臺SIMODRIVER 611A伺服驅動器及1FT5伺服電機用于旋鉚工位的分度盤旋轉臺控制，另有兩臺MicroMaster系列MMV37變頻器用于生產線的物料傳輸系統。表1列出了該裝配線使用的西門子S7-PLC型號及其在各個工位的分布。
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CPU 型 號 |
數 量 |
工 位 號 |
控 制 對 象 |
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CPU212(6ES7212-1AA01-0XB0) |
1 |
WS1.2 |
TOX氣液增力缸 |
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CPU214(6ES7214-1BC10-0XB0) |
8 |
WS1.1,WS1.3,WS2.1,WS2.2, WS2.3,WS3.3,WS4,WS5 |
壓機﹑夾具﹑CoMo II-S監控儀﹑傳送帶﹑綜合功能測試儀 |
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CPU214(6ES7214-1AC01-0XB0) |
1 |
WS3.4 |
LPG794A密封測試儀﹑自動貼標機 |
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CPU314(6ES7314-1AE02-0AB0) |
1 |
WS3.1 |
旋鉚機﹑分度盤旋轉臺
BOSCH智能螺栓擰緊系統 |
表1 裝配線使用的主要PLC產品
圖2所示為該公司的廠房外景和裝配線中的一個工位。
 
圖2 生產廠房和裝配線中的一個工位圖。
二、系統要求
現以工位WS1.1為例，介紹設備的工作過程。該工位將滾針軸承壓入端蓋，當按下啟動按鈕后，設備先檢測軸承放置的方向，如果正確，夾具自動鎖緊，啟動壓裝過程，否則系統報警，壓機不工作，同時OP3操作面板顯示錯誤信息。壓裝開始后，系統同時啟動CoMo II-S智能測量儀表，對壓力和位移進行監測，若整個過程的壓力/位移曲線滿足工藝要求(位于一定的范圍內)，則裝配合格，綠色指示燈亮，壓機退回，夾具松開，零件可轉入下道工序，否則紅色指示燈亮，結果不合格，系統復位后，零件經確認后轉入廢品站。
為了能實時檢測壓力和位移，得出兩者間的實時關系曲線，并據此對過程做出評判，系統采用了Kistler的CoMo II-S智能測量儀表，它內置電荷和電壓放大器，可以實時采集壓力和位移兩路模擬輸入信號，自動選擇量程和不同的坐標及最佳刻度，得出測量曲線，具有閥值、公差帶、方框和終位等多種分析功能，并可根據需要選擇不同的組合對各種過程進行分析和監測，與PLC接口方便。壓力的檢測采用Kistler的壓電式傳感器，經電荷放大器由CoMo II-S采集到壓力實時值，位移用Novotech的高精度位移傳感器測量，并由CoMo II-S采集到實時值，與壓力一起作為被監控的變量。壓機由氣壓驅動的氣液增力缸實現，其升降由電磁閥控制。
三、控制系統的硬件組成及軟件設計
根據該工位的輸入/輸出信號的點數要求，選用CPU214 PLC作為控制核心，并擴展了一塊EM223數字量模塊，共有22位數字量輸入點，18位數字量輸出點。為了顯示系統狀態和輸入控制參數，選用了一臺OP3操作面板，經PPI通訊接口與CPU214連接。控制系統的硬件組成如圖3所示。
 圖3 工位WS1.1 控制系統組成圖
系統中的I/O地址分配如下表所示：
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輸 入 |
輸 出 |
標 志 位 |
|
地址 |
功能 |
地址 |
功能 |
地址 |
功能 |
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I0.0 |
雙手按鈕啟動 |
Q0.0 |
壓機向下 |
M0.0 |
初始化,指示燈測試 |
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I0.1 |
自動/手動選擇 |
Q0.1 |
壓機向上 |
M0.1 |
自動模式 |
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I0.2 |
復位按鈕 |
Q0.2 |
夾具鎖緊 |
M0.2 |
手動模式 |
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I0.3 |
壓力檢測 |
Q0.3 |
夾具松開 |
M0.3 |
定時器4秒延時結束,復位 |
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I0.4 |
軸承方向檢測 |
Q0.4 |
綠色指示燈 |
M11.0 |
手動模式,復位所有動作 |
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I0.5 |
復位接近開關 |
Q0.5 |
紅色指示燈 |
M11.1 |
手動模式,壓機向上 |
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I0.6 |
夾具緊磁性開關 |
Q0.6 |
空壓機閥門 |
M11.2 |
手動模式,壓機向下 |
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I0.7 |
夾具松磁性開關 |
Q0.7 |
壓力報警 |
M11.3 |
手動模式,夾具松開 |
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I1.0 |
壓機上位開關 |
Q2.0 |
Kistler啟動 |
M11.4 |
手動模式,夾具鎖緊 |
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I2.0 |
Kistler就緒信號 |
Q2.2 |
Kistler程序選擇1 |
M11.5 |
啟動Kistler |
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I2.1 |
零件合格 |
Q2.3 |
Kistler程序選擇2 |
M15.1 |
顯示軸承方向不對 |
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I2.2 |
零件不合格 |
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M15.2 |
顯示壓力低報警 |
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M15.3 |
顯示零件合格 |
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M15.4 |
顯示零件不合格 |
表2 工位WS1.1的I/O地址分配表
控制軟件用STEP7 Micro/Win編寫，OP3由ProTool組態軟件進行配置。控制程序分自動和手動兩部分，在手動部分，通過OP3可以操縱所有運動機構的動作，包括壓機、夾具的動作，CoMo II-S的參數選擇及啟動，便于系統調試。在自動部分，所有動作按要求的次序完成，程序中定義了一些內部標志寄存器位，用于PLC和OP3間交換信息，同時也使用了順序寄存器指令，使各程序步間互鎖，提高了系統的可靠性。自動部分的軟件流程如圖4所示。
圖4 控制系統軟件流程圖
四、結束語
汽車轉向泵自動裝配線采用西門子S7系列PLC控制，不僅簡化了系統，提高了設備的可靠性，也大大提高了成品率和產品質量，通過操作面板修改系統參數就可以實現多種不同產品的裝配，現場設備的工作狀態和產品信息都在操作面板上顯示出來，方便了用戶的操作和維護。該裝配線自2001年投入運行以來，工作穩定可靠，加工出的產品經專業設備的嚴格測試，質量和性能完全符合要求，受到了用戶的好評。
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