YL-335B自动化生产线装配单元Ⅱ程序设计

0引言

在自动化生产线体系中,装配单元是实现工件组合成型的核心环节,其运行精度与稳定性直接决定了最终产品的质量与生产线的整体效率。YL—335B自动化生产线作为集机械、电气、气动、PLC控制等多技术于一体的综合性设备,广泛应用于职业教育实训与中小型企业生产场景,而装配单元Ⅱ作为该生产线的重要组成部分,其结构复杂、控制要求烦琐[1],功能实现依赖合理的硬件配置与科学的程序设计。

装配单元Ⅱ采用三菱FX3U—48MT型PLC作为控制核心,该型号PLC具备高速脉冲输出、强大的逻辑运算能力以及稳定的抗干扰性能,能够满足装配过程中对步进电机精准控制、传感器信号实时采集与执行机构快速响应的需求。装配单元Ⅱ机械装配图如图1所示。从硬件结构来看,装配单元Ⅱ主要由管形料仓、落料机构、回转物料台、装配台料斗、气动系统及电磁阀组、传感器、接线端口、铝型材支架、按钮等部分组成,其中,管形料仓用于存储待装配的小圆柱工件,落料机构负责将工件精准输送至回转物料台,回转物料台在步进电机驱动下实现180O旋转,完成工件从装配台到料仓下方的转运,通过电磁阀组控制顶料气缸与挡料气缸动作,确保工件在装配过程中的精准下落,传感器则实时采集原点位置、进料状态、物料余量、气缸动作到位等关键信号,为PLC提供准确的控制依据。

装配单元 Ⅱ的动作过程遵循严格的逻辑顺序,具体流程如下:首先,原点检测开关(对应金属块检测)确认回转物料台处于初始位置,此为系统启动的前提条件;当操作人员按下启动按钮后,系统进入待机状态,若进料检测传感器检测到装配台上有待装配工件,程序触发步进电机动作,驱动回转物料台顺时针或逆时针旋转180°,使物料台正对管形料仓下方;此时,管形料仓内的小圆柱工件在重力作用下自动下落至回转物料台的工件槽内;随后,步进电机再次驱动回转物料台顺时针或逆时针旋转180°,回到初始位置并与装配台对齐,完成工件转运;最后,外部机械手取走装配好的工件,系统复位并进入下一个动作循环。

运行过程中,若操作人员按下停止按钮,系统会完成当前工作周期后再停止,避免工件损坏或工序中断;若出现故障情况(如物料卡滞、传感器异常等),按下急停按钮,系统会立即停止所有动作,待故障排除后松开急停按钮,系统可从停止位置继续运行,保障生产过程的安全性与连续性。

1 程序设计过程

程序设计是实现装配单元Ⅱ自动化运行的核心环节,需遵循“需求分析—硬件映射—I/O分配—流程设计—程序编写—调试优化”的逻辑步骤。本文将从I/O地址表列写、程序流程图设计、步元件划分、顺序功能图设计四个方面,详细阐述装配单元Ⅱ的PLC程序设计过程,确保程序能够准确响应传感器信号、精准控制执行机构动作,满足工艺要求。

1.1 列写I/O地址表

I/O地址表是PLC与外部硬件设备之间的“桥梁”,其作用是将外部传感器、按钮等输入设备与电磁阀、步进电机驱动器等输出设备,通过特定的地址与PLC内部寄存器建立对应关系,确保PLC能够准确采集输入信号并输出控制指令。在列写I/O地址表前,需结合装配单元Ⅱ的工艺要求与机械装配图,明确各输入、输出设备的功能的安装位置,避免地址冲突或功能遗漏。

根据装配单元 Ⅱ的硬件配置与动作逻辑,输入设备主要包括传感器(原点检测、进料检测、物料状态检测、气缸到位检测等)与控制按钮(启动、停止、急停),输出设备主要包括步进电机驱动器(脉冲信号、方向信号)与电磁阀 (顶料、挡料)。基于三菱FX3U—48MT型PLC的I/O地址分配规则(输入地址以X开头,输出地址以Y开头),列写出如表1所示的I/O地址表。

1.2 设计程序流程图

程序流程图是将装配单元Ⅱ的整个作业流程以可视化的方式呈现,其作用是梳理控制逻辑、明确工序顺序,为后续PLC程序编写提供清晰的逻辑框架。在设计程序流程图前,需结合装配单元 Ⅱ的动作过程与工艺要求,将复杂的装配过程拆解为若干个有序的工序,明确每个工序的触发条件、执行内容与结束标志,确保流程逻辑严谨、无遗漏。

根据装配单元 Ⅱ的工艺要求,其作业流程可划分为“复位—旋转180O—顶料—落料—挡料—顶料复位—旋转180O”七个核心工序,每个工序之间通过特定的检测信号实现过渡,具体程序流程图如图2所示。

1.3 划分步元件

在PLC顺序功能图(SFC)设计中,“步”是指一个或一组连续的动作状态,每个步对应装配单元Ⅱ的一个工序,通过步的激活与转移,实现整个装配过程的有序控制。三菱FX3U系列PLC的状态继电器(S)分为初始状态继电器(S0~S9)、一般状态继电器(S20~S499)、保持状态继电器(S500~S899)等类型,其中初始状态继电器用于表示系统的初始状态或复位状态,一般状态继电器用于表示正常运行过程中的工序状态。

根据装配单元 Ⅱ的工序划分(复位、旋转180°、顶料、落料、挡料、顶料复位、旋转180°),结合三菱PLC状态继电器的功能特性,对步元件进行划分。S0:对应“复位”工序,作为系统的初始步,负责完成设备上电后的复位操作,检测原点位置与各执行机构的初始状态,为后续工序启动做好准备。S20:对应“第一次旋转180°”工序,控制步进电机驱动回转物料台旋转至料仓下方;S21:对应“顶料”工序,控制顶料电磁阀动作,驱动顶料气缸顶住次下层工件;S22:对应“落料”工序,控制挡料电磁阀动作,挡杆缩回实现小圆柱工件的下落;S23:对应“挡料”工序,控制挡料气缸复位;S24:对应“顶料复位”工序,控制顶料气缸复位;S25:对应“第二次旋转180°”工序,控制步进电机驱动回转物料台回到原点位置。

步元件的划分需遵循“一个工序对应一个步”的原则,同时确保步与步之间的转移条件明确(如传感器信号、时间延迟等),避免出现步的重叠或遗漏,为后续顺序功能图的设计奠定基础。

1.4 设计顺序功能图

本文设计的装配单元Ⅱ程序只涉及单站动作,采用GXDeveloper8.86进行程序的编写,首先需要考虑程序块的设计,根据工艺要求,可将第0块设计为初始化程序块,第1块为SFC块,第2块为主控复位块。

第0块程序,如图3所示,用初始化脉冲M8002激活SFC块中的初始步S0,设计“起保停”程序对启动信号进行保持,急停按钮X012控制主控指令MCN0M1[2],实现左母线右移,其中MC是主控指令[2],N0表示嵌套等级[2]。执行MC后,左母线移到MC触点的后面,即产生一个临时左母线o 如果X012断开,则会跳过MC、MCR之间的SFC程序块向下执行,即实现“急停”的功能。

第1块程序,如图4所示,S0步复位状态继电器S20~S25,如果原位传感器没有识别到回转物料台下的金属块,即X000动断触点处于接通位置,则执行PLSR指令(PLSR适用于需要精确控制脉冲输出速度和数量的场合,如伺服电机和步进电机的控制。通过设置加减速时间,可以实现平稳的启动和停止,减少机械冲击),其中K5000为步进电机运行的最高频率(Hz),K10000为指定输出总脉冲数(设置步进驱动器细分数为10 000步/转,即步进电机转一圈所需的输出总脉冲数为10000个,也即10000个脉冲对应10 000步),K500为指定脉冲加减速时间(ms),这里一旦X000接收到信号,PLSR指令立即停止执行,即PLC输出点停止发出脉冲,步进电机停止运行,回转物料台即刻停在原位oM3为S25步中PLSR指令的结束标志,需要在初始步复位。S0步向下一步转移的条件为M0(启动保持信号)、X000(原位检测)、X001(前入料口检测)。

S20步,执行PLSR指令,回转物料台顺时针旋转180°至管形料仓正下方(若需要控制回转物料台逆时针旋转,只需要增加使用OUT指令驱动步进电机驱动器方向信号Y001即可),M8029为脉冲指令执行结束标志[2],由于M8029信号只保留一个扫描周期的时间,而程序向下一步转移的条件还有“物料有无检测X003”,因此用M8029脉冲信号置位一个辅助继电器M2,使M8029脉冲指令执行结束标志[2]信号可以保留至满足执行下一步程序。S20步向下一步转移的条件为M2(脉冲指令执行结束标志)、X003(物料有无检测)。

S21~S24步使用置位SET[2]让电磁阀得电,从而实现“顶料”和“落料”,使用复位RST指令让电磁阀失电,从而实现“挡料”和“顶料复位”。

S25步,执行PLSR指令[2],回转物料台从管形料仓正下方顺时针旋转180°至原位,S25步向下一步转移的条件为M3(脉冲指令执行结束标志)、X001动断触点。

第2块程序,如图5所示,MCR是主控复位指令[2],它是MC指令的复位指令,即利用MCR指令恢复原左母线的位置。

2程序的下载及调试

程序编写完成后,需通过下载与调试验证其可行性,确保装配单元Ⅱ能够按照工艺要求稳定运行。调试过程需遵循“硬件检查—程序下载—分步调试—整机调试”的步骤,重点关注传感器信号可靠性、步进电机控制精度等关键环节。具体操作与注意事项如下:

2.1 电脑与PLC之间的通信检查

首先,使用USB通信线缆连接电脑的USB接口与PLC的USB编程口,确保线缆插头插紧,无松动或接触不良。由于FX3U系列PLC的USB通信线缆需要专用

驱动支持,需在电脑上安装三菱官方提供的“USB—SC09驱动程序”(可从三菱电机自动化官网下载)0安装完成后,打开“设备管理器”,在“端 口 (COM和LPT)”中查看通信线缆对应的COM口(如COM3),记录该端口号,用于后续软件设置。 打开GXDeveloper8.86软件,点击菜单栏“在线”→“传输设置”,在弹出的“传输设置”窗口中选择“串行USB”通信方式,将“端口”设置为设备管理器中查看的COM口(如COM3),其他参数按默认设置(波特率9 600 Bit/s、数据位8位、停止位1位、奇偶校验无)。 设置完成后,点击“确认”,再点击“在线”→“PLC连接测试”,若弹出“连接成功”提示框,则通信正常;若提示“连接失败”,需检查线缆连接、驱动安装或COM口设置,排除故障后重新测试。

2.2步进驱动器细分数的设定检查

在自动化生产线上,虽然步进电机功能强大,但是如果不能精确控制,步进电机也不能提高生产水平,所以如何精确控制步进电机就显得尤为重要[3]。调试时,需先切断步进驱动器的电源,用螺丝刀或镊子将DIP1、DIP2、DIP3均拨至“OFF”位置(表2),再接通步进驱动器的电源。为验证细分数设置是否正确,可单独执行指令PLSRK5000K5000K500Y000(前一个K5000为步进电机运行的最高频率,后一个K5000为指定PLC的输出总脉冲数为5 000个),观察回转物料台是否旋转180°:若旋转角度偏差超过±5°,则需重新检查DIP开关位置,或测量步进电机与物料台之间的传动比(如齿轮、同步带传动),确保脉冲数与旋转角度的匹配性。

2.3 其他检查

在整机调试前,还需完成以下检查工作,排除硬件故障。

2.3.1物料与传感器检查

料仓物料检查:向管形料仓内添加足量的黑色、白色或金属小圆柱工件,确保物料无变形、无杂质,避免落料时卡滞;同时,通过物料不足检测传感器S3(X002)检查物料余量。

传感器功能检查:手动触发各传感器,观察PLC输入指示灯(如X000~X012对应的指示灯)是否点亮。

2.3.2 电磁阀与气动系统检查

电磁阀通电测试:在GXDeveloper软件中,通过“强制输出”功能分别给Y002(顶料电磁阀)、Y003(挡料电磁阀)通电,观察电磁阀是否有吸合声,气缸是否动作。

气动系统压力检查:检查气动三联件(过滤器、减压阀、油雾器)的压力表示数,确保压力在0.4~0.6MPa,压力过低会导致气缸动作缓慢或无力,压力过高则会加速气缸磨损。

2.3.3分步调试与故障排除

分步调试时,通过GX Developer的“在线监视”功能,观察各步元件(S0、S20~S25)的状态变化,按工序逐步验证。调试过程中若出现故障(如工序卡滞、动作错误),可通过“状态监视”查看输入/输出信号状态,判断故障点。例如,S21步卡滞时,若Y002已得电但X004未触发,可能是顶料气缸漏气或1B1传感器偏移;若Y002未得电,可能是S21步未激活或程序逻辑错误。

3 结束语

本文围绕YL-335B自动化生产线装配单元 Ⅱ的程序设计展开研究,从工艺需求分析入手,完成了I/O地址表列写、程序流程图设计、步元件划分与PLC顺序功能图编写,最终通过程序下载与调试,验证了系统的稳定性与可靠性。

通过研究可知,装配单元 Ⅱ的程序设计需重点关注三个核心:一是I/O地址分配的合理性,确保传感器与执行机构信号准确映射,为程序逻辑提供可靠输入/输出基础;二是步进电机的精准控制,通过PLSR指令设置合理的脉冲频率、脉冲数与加减速时间,结合步进驱动器细分数调整,实现回转物料台180°旋转的高精度定位;三是工序逻辑的严谨性,通过SFC程序块的“步-转移条件-动作”结构,确保复位、旋转、顶料、落料等工序衔接顺畅,同时融入急停、停止等安全控制,保障设备与人身安全。

经整机联调验证,装配单元Ⅱ可连续稳定运行50个以上装配循环,动作精度与循环效率满足工艺要求,为YL-335B自动化生产线的高效作业提供了技术支撑。后续可通过工件识别、故障报警等功能优化,以及多单元通信协同拓展,进一步提升装配单元Ⅱ的智能化水平,为 自动化生产线的升级改造提供参考方向。

[参考文献]

[1] 陈力.YL335B生产线装配单元创新设计[J].天津科技,2016,43(6):51-53.

[2]三菱电机自动化(中国)有限公司.FX3U系列可编程控制器编程手册[Z],2018.

[3]王明杰,任平英.基于PLC控制步进电动机的研究与分析[J].内燃机与配件,2019(15):234-235.

《机电信息》2025年第23期第1篇