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一、概述
汽车转向泵是一种中高档汽车用的零部件，它为汽车动力转向系统提供一种高性能的动力源，与发动机转速相配合可以产生卓越的转速流量特性从而使得驾驶舒适。由采埃孚转向泵金城有限公司投资的转向泵自动装配线项目位于南京新港经济技术开发区，主要生产轿车和轻型商务车用的转向泵。这种汽车部件由多个零件组成，需要借助不同的设备，按照一定的工序将它们组装起来。在整个过程中，需要对装配时的压力、位移和时间等参数进行实时监控，以满足严格的工艺要求，保证装配质量。汽车转向泵自动装配线是完成上述工序的一组设备，它共有12个工位,以实现不同的装配功能，其生产流程如图1所示。
图1 汽车转向泵自动装配线生产流程图
系统的控制对象包括气液增力缸式压机﹑夹具﹑压力/位移监控仪﹑密封测试仪﹑综合功能测试仪和智能螺栓拧紧系统等，由于各个工位间相互独立且有一定距离，因而各采用一台西门子PLC作为控制器，一台SIMODRIVER 611A伺服驱动器及1FT5 伺服电机用于旋铆工位的分度盘旋转台控制，另有两台MicroMaster系列MMV37变频器用于生产线的物料传输系统。表1列出了该装配线使用的西门子S7-PLC型号及其在各个工位的分布。
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CPU 型 号 |
数 量 |
工 位 号 |
控 制 对 象 |
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CPU212(6ES7212-1AA01-0XB0) |
1 |
WS1.2 |
TOX气液增力缸 |
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CPU214(6ES7214-1BC10-0XB0) |
8 |
WS1.1,WS1.3,WS2.1,WS2.2, WS2.3,WS3.3,WS4,WS5 |
压机﹑夹具﹑CoMo II-S监控仪﹑传送带﹑综合功能测试仪 |
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CPU214(6ES7214-1AC01-0XB0) |
1 |
WS3.4 |
LPG794A密封测试仪﹑自动贴标机 |
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CPU314(6ES7314-1AE02-0AB0) |
1 |
WS3.1 |
旋铆机﹑分度盘旋转台
BOSCH智能螺栓拧紧系统 |
表1 装配线使用的主要PLC产品
图2所示为该公司的厂房外景和装配线中的一个工位。
图2 生产厂房和装配线中的一个工位图。
二、系统要求
现以工位WS1.1为例，介绍设备的工作过程。该工位将滚针轴承压入端盖，当按下启动按钮后，设备先检测轴承放置的方向，如果正确，夹具自动锁紧，启动压装过程，否则系统报警，压机不工作，同时OP3操作面板显示错误信息。压装开始后，系统同时启动CoMo II-S智能测量仪表，对压力和位移进行监测，若整个过程的压力/位移曲线满足工艺要求(位于一定的范围内)，则装配合格，绿色指示灯亮，压机退回，夹具松开，零件可转入下道工序，否则红色指示灯亮，结果不合格，系统复位后，零件经确认后转入废品站。
为了能实时检测压力和位移，得出两者间的实时关系曲线，并据此对过程做出评判，系统采用了Kistler的CoMo II-S智能测量仪表，它内置电荷和电压放大器，可以实时采集压力和位移两路模拟输入信号，自动选择量程和不同的坐标及最佳刻度，得出测量曲线，具有阀值、公差带、方框和终位等多种分析功能，并可根据需要选择不同的组合对各种过程进行分析和监测，与PLC接口方便。压力的检测采用Kistler的压电式传感器，经电荷放大器由CoMo II-S采集到压力实时值，位移用Novotech的高精度位移传感器测量，并由CoMo II-S采集到实时值，与压力一起作为被监控的变量。压机由气压驱动的气液增力缸实现，其升降由电磁阀控制。
三、控制系统的硬件组成及软件设计
根据该工位的输入/输出信号的点数要求，选用CPU214 PLC作为控制核心，并扩展了一块EM223数字量模块，共有22位数字量输入点，18位数字量输出点。为了显示系统状态和输入控制参数，选用了一台OP3操作面板，经PPI通讯接口与CPU214连接。控制系统的硬件组成如图3所示。
 图3 工位WS1.1 控制系统组成图
系统中的I/O地址分配如下表所示：
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输 入 |
输 出 |
标 志 位 |
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地址 |
功能 |
地址 |
功能 |
地址 |
功能 |
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I0.0 |
双手按钮启动 |
Q0.0 |
压机向下 |
M0.0 |
初始化,指示灯测试 |
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I0.1 |
自动/手动选择 |
Q0.1 |
压机向上 |
M0.1 |
自动模式 |
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I0.2 |
复位按钮 |
Q0.2 |
夹具锁紧 |
M0.2 |
手动模式 |
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I0.3 |
压力检测 |
Q0.3 |
夹具松开 |
M0.3 |
定时器4秒延时结束,复位 |
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I0.4 |
轴承方向检测 |
Q0.4 |
绿色指示灯 |
M11.0 |
手动模式,复位所有动作 |
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I0.5 |
复位接近开关 |
Q0.5 |
红色指示灯 |
M11.1 |
手动模式,压机向上 |
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I0.6 |
夹具紧磁性开关 |
Q0.6 |
空压机阀门 |
M11.2 |
手动模式,压机向下 |
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I0.7 |
夹具松磁性开关 |
Q0.7 |
压力报警 |
M11.3 |
手动模式,夹具松开 |
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I1.0 |
压机上位开关 |
Q2.0 |
Kistler启动 |
M11.4 |
手动模式,夹具锁紧 |
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I2.0 |
Kistler就绪信号 |
Q2.2 |
Kistler程序选择1 |
M11.5 |
启动Kistler |
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I2.1 |
零件合格 |
Q2.3 |
Kistler程序选择2 |
M15.1 |
显示轴承方向不对 |
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I2.2 |
零件不合格 |
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M15.2 |
显示压力低报警 |
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M15.3 |
显示零件合格 |
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M15.4 |
显示零件不合格 |
表2 工位WS1.1的I/O地址分配表
控制软件用STEP7 Micro/Win编写，OP3由ProTool组态软件进行配置。控制程序分自动和手动两部分，在手动部分，通过OP3可以操纵所有运动机构的动作，包括压机、夹具的动作，CoMo II-S的参数选择及启动，便于系统调试。在自动部分，所有动作按要求的次序完成，程序中定义了一些内部标志寄存器位，用于PLC和OP3间交换信息，同时也使用了顺序寄存器指令，使各程序步间互锁，提高了系统的可靠性。自动部分的软件流程如图4所示。
图4 控制系统软件流程图
四、结束语
汽车转向泵自动装配线采用西门子S7系列PLC控制，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性，也大大提高了成品率和产品质量，通过操作面板修改系统参数就可以实现多种不同产品的装配，现场设备的工作状态和产品信息都在操作面板上显示出来，方便了用户的操作和维护。该装配线自2001年投入运行以来，工作稳定可靠，加工出的产品经专业设备的严格测试，质量和性能完全符合要求，受到了用户的好评。
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