基于PLC控制的车架翻转工位设计

李金义 王京

【摘要】本文通过对具体工程问题－车架的翻转工位的具体分析，阐述了PIC控制的车架翻转工位进行设计的工作过程，对设计这样的PLC系统过程中的程序设计和硬件的相关问题进行了具体的分析，并提出了相应的措施，以期为此类系统的设计者提供有效的借鉴。

【关键词】PLC；车架翻转；分析

０引言

在工业自动化技术迅速发展的今天，PLC控制的气动或液动控制系统在工业生产中的应用越来越普及。在我国的汽车生产领域，许多大型车体和配件进行人工操作不仅操作复杂、准确度低，而且容易因工人过于疲劳拖慢整条生产线的节拍，对企业的生产效率和产品质量都有很大的干扰。针对这种状况，为了更便于生产，降低对工人的素质要求，提高生产效率和产品质量，我们采用PLC自动控制来实现汽车的自动化生产，减少人工操作造成的问题。本文针对汽车车架翻转工位的具体问题，对PLC控制系统进行了具体的论述，为PLC系统在汽车生产中的应用提供了借鉴。

１PLC控制车架翻转工位的设计及分析

１.1系统的组成及工作过程分析

车架翻转工位教学培训装置实现模型汽车底盘翻转动作，将模型汽车底盘翻转180度，以实现对模型汽車底盘上下两面进行装配的工艺。车架翻转工位教学培训装置由翻转支持平台、翻转传送皮带电机、翻转传送皮带、翻转电机、车架夹紧气缸、提升用滚珠丝杠组成。

图1为本装置示意图立体图图2车架翻转工位结构图

其中，1是车架夹紧气缸A ；2是翻转电机A ；3是输送皮带电机；4是提升滚珠丝杠；5是车架夹紧气缸B；6是翻转电机B；7是翻转支撑平台。

如图1所示，并根据图描述各个部件之间的相对位置和连接关系。车架翻转工位教学培训装置由翻转支持平台、翻转传送皮带电机、翻转传送皮带、翻转电机、车架夹紧气缸、提升用滚珠丝杠组成。翻转支撑平台通过地脚与胀管螺丝，与地面连接；翻转传送皮带通过主动轴，进行传动，侧部通过电机安装板、键、键槽，与翻转传送皮带电机进行连接，达到机械传动目的；翻转电机分别通过电机支架与螺栓，安装于翻转机构的两侧，由同步带及同步带轮进行传动；车架夹紧气缸通过自带的螺母，固定在翻转电机的内侧，并与翻转电机连接；提升滚珠丝杠位于整个机构的中央部分，通过丝杠支撑座和固定座，与翻转电机及夹紧气缸连接。

车架翻转工位工作流程：（１）车架由上一工位，通过翻转输送皮带，定位在翻转工位的指定位置；（2）提升用滚珠丝杠工作，将整个翻转夹具下移至一定高度；（3）车架夹紧气缸A、B同时工作，负责将车架与翻转夹具固定；（4）提升用滚珠丝杠工作，将整个翻转夹具以及车架提升，以便为车架的翻转预留出足够的空间；（5）翻转电机A、B同时工作，通过同步带和带轮，将车架进行180度翻转；（6）翻转完毕后，将整个翻转夹具下移至一定高度，夹具松开，车架经输送带进入下一工位。

1.2系统控制软件设计分析

PLC控制系统的编程通常采用梯形图语言，它是以扫描工作的方式进行顺序动作的逻辑控制，其各部分的先后顺序不太重要，但每条语句的输入、输出非常严格。系统编程通常包括以下几个部分：（1）初始化命令，此命令主要目的在于对系统目前所处的状态进行检测和存储，设置标志位等，为下一步的命令做好动作准备；（2）启动系统程序，系统进行启动之前，必须确定所有动作件处于零位（即停机位置），而针对气缸要首先对其进行反向充气，然后再将确保其进入初始位置；（3）手动控制系统程序，编写此处的程序主要是为了完成手动控制面板所完成的动作，与自动控制系统的程序分开；（4）自动控制系统程序，通过完整的程序进行正常控制的循环动作过程；（5）步进程序，在半自动条件下对系统进行步进控制，使系统缓慢工作；（6）急停程序，急停程序分为两种，一种是危险急停，一旦启动此程序，所有的电磁铁断电，所有气缸保持原位，直到报警解除，另一种是软急停，继电器状态保存，使所有对应电磁铁输出为零，这样的状态使气缸保持原位，系统进入调整状态，不会对工件和系统造成冲击，当故障排除后，解除报警即可恢复运行；（7）复位程序，当系统需要紧急情况非正常停车时，冲击会造成气缸等错位，需要手动调整复位，但手动复位的位置往往不够精确，复位程序可以自动调整，使其回到初始位置；（8）停止程序，系统工作完成后在初始位置处于等待状态，停止程序将使其进入停止位置，结束工作；（9）互锁程序，为了保护系统在非正常操作的情况下发生干涉现象，加入互锁程序是电路互相制约，避免发生意外；（10）报警程序，报警程序设置两种情况下报警，一是气缸或某运动部件动作越位或超过时间而没归位，另一种是气源气压过低，无法正常工作。在进行具体的编程时，不一定十个部分必须都有，但为了设备及操作人员的安全，安全程序需要设计好，以防为企业造成较大的损失。

１.3PLC系统硬件设计分析

在PLC控制的车架翻转工位系统中，需要的硬件分为以下几类：（1）动力部分，电机、高压气源等；（2）控制部分，PLC控制器；（3）执行部分，气缸、翻转机构、传动件等。在车架翻转控制系统中，气缸作为执行机构与PLC控制结合，大大提高了车架翻转系统的灵活性和自动化程度，气动控制有反应快、速度高的特点，但是在实际操作中由于气体易压缩以及PLC存在较大的I/O相应滞后的缺点，往往出现一定量的随机误差，尤其对于定位气缸来说，其定位精度不高，某种程度上是牺牲了车架的部分质量的。为了解决这个问题，我们利用PLC自身的性能对这个问题进行弥补。

在PLC进行工作时，从定位传感器发出信号，经控制器处理输出执行信号到信号得到执行有一定的响应滞后时间，这就是I/O响应滞后时间，而这个响应时间是造成气缸运动定位有较大随机误差的关键因素。造成I/O响应滞后时间的因素有3个，一是，输入信号的响应时间t1，二是，程序执行扫描时间t2，三是，执行器反应时间t3，如日本三菱公司FX2系列的PLC控制器，其输入滞后时间t1=4ms左右，程序扫描时间t2=3ms左右，而且程序越长，扫描时间越长，而执行器反应时间为t3=5ms左右，气缸运动速度为1500mm/s，其随机误差可达18mm，而且执行程序越长，误差越大。如果再考虑到气缸易压缩和电磁阀的机械滞后，其误差更大，这对要求精确定位的系统是不允许的。

为了减少系统自身响应时间造成的误差，需从缩小输入响应时间、缩小输出详细时间和缩小扫描程序时间3个方面出发。首先要缩小PLC的I/O响应速度，即在PLC输入端设置较多的输入口，将它们的滤波时间设置成最小值50μs，这样接口的信号输入无需等待，大大减小了输入响应时间；其次缩小输出反应时间，即放弃传统的继电器输出模式，改为晶体管开关输出模式，其响应时间不超过2ms，从而达到缩小系统响应时间的目的；再次缩短程序执行扫描时间，因为程序的长度是不固定的，输入信号的时刻也是不固定的，所以在接受到信号后再进行扫描既影响了I/O的相应速度，同时造成了滞后时间的不确定，无法进行补偿，造成了误差的随机性，解决这个问题的最好办法是采用中断技术，这样输入信号的时间不会受扫描时间的影响，仅需要中断程序的时间和执行中断程序的时间，共0.3ms。经过这样的改造后系统的响应时间缩短为2.35ms。

２结论

本文通过对车架的翻转工位设计问题的分析，对基于PLC控制的车架翻转工位在设计中面临的软件问题和硬件问题进行了详细的论述，并对这些问题提出了相应的解决方案，以期能为车架翻转工位设计人员提供一定的借鉴。

［责任编辑：曹明明］