譚順學，鄧其貴，藍偉銘

(柳州職業(yè)技術學院 機電工程系，廣西 柳州 545006)

0 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)也進入了新知識、新技能、新技術高速發(fā)展時期。作為汽車電子系統(tǒng)中最重要部件之一的汽車儀表，同時也得到長足的技術進步。汽車指針式儀表自誕生以來，就在所有汽車儀表中占據(jù)著絕對優(yōu)勢的主導地位，所以現(xiàn)在指針式儀表依然被當前眾多汽車優(yōu)先采用，由此可見汽車儀表指針壓裝技術的重要性［1－2］。

在現(xiàn)代汽車電子配件的裝配行業(yè)中，汽車儀表指針的自動化壓裝也成了當前眾多汽車生產(chǎn)企業(yè)研究的對象［3］。根據(jù)不同車型的裝配需求，生產(chǎn)線上的生產(chǎn)工藝和流程需要不斷調整，以適應生產(chǎn)效率。在汽車儀表裝配中，不同類型的組合儀表需要不同的壓裝流程，結構和尺寸的不同也意味著壓裝點的位置和數(shù)量也不盡相同，如果每一種組合儀表都配備固定的壓裝設備，那么裝配企業(yè)需要投入大量的裝配設備，無論從適應不同類型產(chǎn)品的角度，還是從生產(chǎn)效率，以及生產(chǎn)空間的使用上來看，都不利于應對多種車型的裝配。因此，本研究課題提出了三維定位壓裝控制方法，可以解決適應多種儀表的裝配需要。

1 整機硬件組成及工作流程

1.1 硬件組成

汽車儀表指針三維定位壓裝系統(tǒng)主要硬件結構包括結構框架、儀表支撐移動平臺、XY 軸運動絲桿組模、平臺氣缸和壓裝氣缸、操作面板、伺服電機系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、觸摸屏、氣動閥及氣路等。汽車儀表指針三維定位壓裝系統(tǒng)運行機構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)運行機構圖

1.2 工作流程

如圖1 所示，XY 方向均由伺服系統(tǒng)驅動，Z 方向由壓裝氣缸驅動，壓裝氣缸安裝在XY 軸坐標伺服運動機構上，XY 軸坐標伺服運動機構可用于對壓裝氣缸的精確壓裝點坐標定位移送。在指針壓裝控制過程中，壓裝氣缸是通過XY 軸坐標伺服運動機構帶動沿XY 軸運動去精確尋找壓裝的坐標點，到達XY 坐標點后，壓裝氣缸沿Z 方向下壓，在光柵尺的精確位移測量下，并在液壓緩沖器的緩沖下，壓裝末端速度受到控制，壓裝行程受到監(jiān)控，保證指針帽頭和儀表盤的間隙處在合格范圍內。因此，三維坐標的壓裝方式，可保證指針的精確定位和壓裝程度，從而提高指針的壓裝效率和進一步提高產(chǎn)品的合格率。這種方式的最大特點是，可通過觸摸屏窗口對壓裝坐標進行靈活選擇，能實現(xiàn)一個組合儀表多達八個指針的任意連續(xù)壓制，適應不同組合儀表的壓裝工藝要求。

2 系統(tǒng)控制方案設計

根據(jù)運行機構的工作流程要求，系統(tǒng)主要采用PLC、觸摸屏控制。為了達到系統(tǒng)控制要求，PLC 采用西門子S7－224XPCN 為主機，它具備2 路模擬量輸入接口，3 路高速脈沖輸入接口、2 路高速脈沖輸出接口，外加一塊EM223 數(shù)字量擴展模塊，即可滿足系統(tǒng)功能的需要。觸摸屏采用TCP1062K 昆侖通態(tài)MCGS。儀表指針壓力傳感器選擇上海天沐自動化儀表有限公司的NS－WL5－20kg－22v11，其主要技術參數(shù)是工作滿量程20kg、輸入電壓DC24 V、輸出信號0～5 V、單位牛頓力分辨率是0.025 V/N、靈敏度是2.0 ±0.002 mV，完全可以滿足壓力測量精度的要求。定位采用歐姆龍E6B2－CWZ6C2000P/R2M 增量式旋轉編碼器，其主要技術參數(shù)的分辨率(脈沖/轉)=2 000 P/R、最高轉速6 000 r/min、輸出信號ABC 相、NPN 集電極開路輸出、供電電源DC 5～24 V。指針行程檢測使用廣州信和SINOA300 系列光柵尺，其主要技術參數(shù)是準確度±3 μm、分辨率0.5 μm、行程370 mm，可以滿足1 mm 范圍內的距離檢測，誤差可控制在0.01 mm 內。交流伺服電機采用松下A5 系列750 W 高慣量伺服電機，配套相應的伺服驅動器，具體型號為MCDHT3520E(驅動器)+MHMD082G1U(馬達)。選擇型號SC50* 350 為主壓制氣缸，平臺氣缸選擇SC50* 500型，品牌均為臺灣亞德客(AIRTAC)［4－9］。

電控主電路與PLC 安裝在電氣控制柜中，對現(xiàn)場信號進行控制。進行監(jiān)控調節(jié)的觸摸屏安裝在控制柜柜面上，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、壓裝點設置、壓裝點存取、壓力和電流值等，以提高系統(tǒng)安全運行的可靠性。根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)實際工作過程，如圖2 所示設計了控制系統(tǒng)總體結構方框圖，并列出如表1 所示的PLC 控制伺服驅動器功能表。

圖2 控制系統(tǒng)總體結構方框圖

表1 PLC 控制伺服驅動器功能表

3 系統(tǒng)控制軟件設計

系統(tǒng)控制軟件分別由PLC 控制軟件和觸摸屏人機界面兩部分組成。觸摸屏程序通過RS—485 直接通信訪問和修改PLC 變量、狀態(tài)顯示、實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲等功能;PLC 程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與執(zhí)行控制等功能。

3.1 壓裝系統(tǒng)PLC 程序設計

3.1.1 應用主程序

應用程序的主程序負責控制各個子程序執(zhí)行，其流程如圖3 所示。由于PLC 的工作過程是周而復始的循環(huán)掃描方式，而執(zhí)行應用程序只是PLC 整個工作過程中的一個環(huán)節(jié)，因此，應用程序執(zhí)行以后，將返回PLC 的循環(huán)過程。

圖3 應用主程序流程圖

3.1.2 XY 軸運動功能程序

XY 軸運動的實現(xiàn)主要由伺服驅動和坐標檢測配合完成，當坐標未達到預定位置，系統(tǒng)經(jīng)過伺服電機驅動運行機構不斷作調整。

(1)XY 軸坐標的檢測程序。

控制系統(tǒng)對XY 軸坐標的檢測是通過安裝在XY 驅動軸上的旋轉編碼器實現(xiàn)的，當伺服電機軸轉動時，旋轉編碼器對應輸出相應的脈沖信號，檢測旋轉軸旋轉的位移量。編碼器脈沖信號通過A、B 相輸出，輸入到PLC 計數(shù)器端口，完成XY 方向位移信號的檢測［10］。

(2)XY 軸二維運動控制程序。

PLC 通過輸出脈沖和相應的控制信號，控制伺服驅動器的運行。在PLC 側，可通過設置Q0.0、Q0.1 這兩個端子的功能，分別輸出高速脈沖，接入伺服驅動器的脈沖信號輸入口，達到控制伺服電機運行速度的功能。在伺服驅動器一側，除了連接好PLC 的脈沖輸出端子，還要設置驅動器相應的功能參數(shù)Pr0.06、Pr0.07，考慮到PLC 自帶功能的局限，只具備兩路脈沖輸出(Q0.0、Q0.1)，所以脈沖輸入形態(tài)選擇Pr0.06=1、Pr0.07=3 的模式，脈沖序列+符號的模式，在這種模式下，脈沖通過OPC1 端口輸入到驅動器，實現(xiàn)速度的控制，運行方向信號通過OPC2 端口控制，輸入高電平時正轉，低電平時反轉。通過這種方式，可實現(xiàn)伺服電機速度和方向的控制功能，而電機的啟?？刂苿t通過PLC 普通數(shù)字量輸出端子，控制伺服驅動器SRV－ON 端子的通斷的方式來達到。

3.2 觸摸屏界面設計

系統(tǒng)采用人機接口，更加直觀地了解三維定位壓裝系統(tǒng)運行狀況及參數(shù)值，而操作簡單靈活，也便于調試。以壓裝系統(tǒng)為例的人機界面總體設計方案如下:

(1)觸摸屏界面設計服務于系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)，負責完成壓裝系統(tǒng)的大部分操作、參數(shù)設置、顯示及報警等功能;

(2)采用分界面的設計方法，按操作、功能及顯示功能等，分別設計相應獨立的界面，且保持相應界面的內部功能連接和數(shù)據(jù);

圖4 系統(tǒng)主界面圖

(3)界面設計要布局合理，美觀大方，用戶操作方便;

(4)要方便各個功能界面之間的轉換;

(5)界面中的輔助功能配備要完整，便于用戶操作和維護。

如圖4、圖5 所示系統(tǒng)主界面和壓裝監(jiān)控主界面的設計，系統(tǒng)主界面提供了分別進入監(jiān)控界面、壓制點設置界面、壓制點存取界面、壓力歷史界面的分界面入口。壓裝監(jiān)控主界面顯示了壓力值、間隙值、電流值、壓制點壓力值等。

圖5 壓裝監(jiān)控主界面圖

4 結束語

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也進入了高速發(fā)展時期，汽車越來越普及，汽車生產(chǎn)企業(yè)對汽車的生產(chǎn)工藝要求也越來越高，從而對汽車儀表指針壓裝系統(tǒng)的要求也越來越高。本汽車儀表指針三維定位壓裝系統(tǒng)已在廣西柳州某汽車儀表裝配廠投入使用，取得了良好的效果和可觀的經(jīng)濟效益，文中所介紹的研制方案已成功申報了發(fā)明專利(申請專利號:201210247701.6)。通過實際生產(chǎn)應用，表明該儀表壓裝系統(tǒng)大大提高了儀表壓裝的精確度和效率，且具有經(jīng)濟性好、性能可靠、操作簡單方便等創(chuàng)新點。

［1］張彥平.步進電機式汽車電子儀表的裝針過程設計與控制［J］.汽車電器，2012(7):19－21.

［2］唐志勇，暴宏志.汽車儀表指針控制技術［J］.汽車電器，2007(7):1－2，8.

［3］戴路，廖一鵬.儀表指針壓制嵌入式控制軟件設計［J］.計算機時代，2008(6):5－9.

［4］廖常初.PLC 編程及應用(第3 版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［5］崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［6］嚴盈富.觸摸屏與PLC 入門［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［7］北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS 用戶指南［Z］.

［8］北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS 參考手冊［Z］.

［9］Panasonic.交流伺服馬達·驅動篇MINASA5E 系列［Z］.

［10］廖建斌.步進電機式汽車儀表控制技術［J］.計算機時代，2013(2):1－3，6.