［摘 要］汽车三元催化器是降低尾气排放的重要部件，针对某汽车零部件公司三元催化器自动化装配效率低、运行不稳定的问题，提出了一种基于PLC 的三元催化器装配线自动化控制系统的设计方案。设计使用三菱Q 系列PLC并结合CC-Link 总线技术，对装配线进行自动化控制。设计完成后，通过对机械、电气设备的安装调试，最终的生产节拍为32s 左右，产品合格率达到了98%，满足了生产要求。
［关键词］装配线；PLC ；机器人；控制系统
汽车的三元催化器是汽车环保关键装置，一般由壳体、衬垫、载体、催化剂和涂层5 部分组成。它可以将汽车燃料消耗产生的3 种有毒气体变为无害的CO2，H2O 和N2，作为尾气排放出去。装配线是一种以串行方式为导向的流程式系统工程[1]，作为一种大规模高效生产的组织形式，装配线通常由若干工位以及连接这些工位的传动装置组成。装配就是待装配的产品按照一定的生产节拍经过装配工位并将相应的零件组装在待装配的对象上，最终在产线的末端输出成品的过程[2]。本文通过研究PLC 控制技术并结合CC-Link 现场总线技术，根据三元催化器的装配工艺，设计了一套针对该产品的控制系统。经过现场调试以及试生产，该控制系统可以更加高效地完成不同机种三元催化器的装配，通过PLC以及CC-Link 之间的交互实现数据传输的高效性，保证了三元催化器装配线的可靠性。
1 总体方案
图1 高效三元催化剂装配线布局
针对某汽车零部件公司三元催化器自动化装配效率低、运行不稳定的问题，自主研发设计一条自动化生产线。本文不对整条产线进行研究，仅对刻印工位后面的工序进行研究。搬运机器人负责将刻印工位上的产品夹取到锁付滑台上，并将护盖运送到产品上，以上动作完成后，滑台进入锁付工位；锁付机器人从送螺丝定位机构取起螺丝，将产品和护盖锁紧，锁付完成后，滑台退出锁付工位后；搬运机器人将锁付完成的产品夹取到喷印工位，喷码机构将产品机种、生产厂家等信息，喷印在护盖上，最后产品由传送带输送出产线。
高效三元催化器装配流水线布局如图1 所示，本文的三元催化器自动化装配控制系统包括搬运机器人、锁付机器人、滑台、喷码机、传送带和各类传感器等设备, 集成了执行控制模块、状态监控模块以及数据采集模块[3]。执行控制模块实现生产线所有机构和设备的联合控制；状态监控模块以及数据采集模块监控和采集产线中各类传感器的数据以及各个工位的状态，并传输给PLC 进行数据处理。PLC 根据传输过来的数据对后面的执行控制模块进行调控，以实现对执行机构的自动化、智能化控制，控制系统的总体结构如图2 所示。
图2 控制系统总体结构
2 控制系统硬件设计
2.1 PLC的选型
PLC选型[4] 的基本原则是在PLC 满足产线系统控制需求的前提下，选择后期维护方便、简单易，于操作且性价比最高的型号。三菱PLC相比西门子PLC，编程语言更加通俗易懂，上手相对轻松，且在运动控制上的表现优于同级别其他品牌，同时三菱PLC有独特的定位控制指令，在控制伺服电机和步进电机方面更加方便。综上考虑，本系统采用三菱PLC。根据三元催化器装配产线生产要求、信号采集以及数据处理的性能，决定使用三菱Q系列PLC完成本设计[5]。
对于PLC关键模块的选用，根据装配线的需求并结合三菱PLC选型手册确定使用三菱通用型CPU模块（Q06UDVCPU）。三菱通用型CPU模块具有：
（1）生产效率更高。超高速处理，生产时间缩短，随着应用程序变得更大更复杂，缩短系统运行周期时间是非常必要的。通过超高的基本运算处理速度1.9n（s LD指令），可缩短运行周期。
（2）存储性能更好。CPU 的内置软元件存储器容量增加到最多60K 字，对增大的控制、质量管理数据也可高速处理。
（3）故障处理方便。发生故障时也能够迅速应对，只需提取与问题相关的数据，不必花时间过滤大量的诊断数据，可以快速确定故障原因，并制定解决方案。
（4）简化程序调试，可使用待执行条件的软元件测试功能，在程序上的任意步上，将软元件值更改为用户指定值。
三菱简单运动模块（QD77MS16）的性能强大，可以同时对16个轴进行运动控制；具有丰富的定位控制功能：通过直线插补控制、2轴圆弧插补控制、定长进给控制以及连续轨迹控制等丰富的控制方式应对各种不同的用途；可以通过PLC程序对定位地址、速度等进行设定，轻松实现自动运行；通过代码、跳过功能、单步运行、目标位置变更功能等辅助功能满足用户不同的需求；具有任意数据监视功能；可以通过简单运动控制模块对伺服驱动器、伺服电机的信息进行监视，也可以在用户制作的画面中显示。可监视的数据包括：有效负载率、再生负载率、峰值负载率、负载惯量比、伺服电机旋转速度、位置反馈、绝对位置检测器1周位置和消耗功率等。该模块的图形化配置简单。使用GX Works2软件对简单运动控制模块进行设定，只需简单的配置和设定参数就能完成定位数据设定、同步控制、凸轮控制等设置，还能与MR Configurator2联动进行伺服驱动器的参数设定及调整，可以提伺服运作的效率，系统容易维护。配置参数、定位数据、块启动数据等可以使用内置闪存ROM保存，无需电池即可保存数据。
CC-Link网络总线模块（QJ61BT11N）是CC-link网络系统中用来和Q系列PLC链接的通讯端口。在网络系统中主站通过QJ61BT11N接口模块与各从站进行信息交换，主站与从站之间使用链路扫描的方式进行站与站之间的数据交换，采用的方式是通过模块内缓冲寄存器进行自动映射，寄存器之间有专门的通信指令进行数据的链接扫描。该模块具有的特点如下：
（1）高速处理。最大可以达到100m的传输距离，并且能够连接64个站点，链接扫描时间仅为1~5ms。
（2）连接简单。CC-Link系统可以通过简单的总线，将各种工业控制设备（限位开关、光电传感器、变频器、触摸屏等）连接成统一的设备网络层。还有串行通信模块（QJ71C24N-R2）、输入模块（QX42）以及输出模块（QY42P）作为重要的组成部分，图3为连接好的PLC 各模块实物图。
图3 PLC模块连接图
2.2 PLC的I/O口地址分配
由于本设计的重点在于整条装配线最后两台机器人及其相关工位的研究，所以这里只展示操作盒以及3～5号中继电箱的部分I/O地址分配情况。
（1）操作盒输入输出模块I/O口的地址分配。操作盒输入输出模块主要是通过操作面板的数字量输入，再经过PLC进行数据处理，进而控制装配线运行模式的切换、暂停、急停以及各种指示灯闪烁情况。采用三菱AJ65SBTB1-32DT混合输入输出模块，使用8个PLC输入量以及9个PLC输出量，其I/O口的部分地址分配见表1。
表1 操作盒输入输出模块I/O口地址分配
（2）3号中继电箱输入输出模块I/O口的地址分配。3号中继电箱的输入模块主要是由滑台所在限位、各气缸的状态和传感器的状态等组成，输出模块主要是对各个工位气缸电磁阀的通断和伺服电机的启停等进行控制，其中使用了2个三菱AJ65SBTB1-32D输入模块、1个AJ65SBTB1-32D输入输出模块以及1个AJ65SBTB1-32T输出模块，使用了69个PLC输入量和28个PLC输出量。
（3）4号中继电箱输入输出模块I/O口的地址分配。4号中继电箱输入模块的信号主要由喷印机构伺服电机、喷印工位气缸以及相关传感器的I/O等组成，输出模块主要对喷印流程中的各个机构动作进行控制，其中使用了2个输入模块：AJ65SBTB1-32D 和AJ65SBTB1-16D，一个输出模块：AJ65SBTB1-32T，使用了38个PLC输入量和20个PLC输出量。
（4）5号中继电箱输入输出模块I/O口的地址分配。5号中继电箱的输入模块主要是由搬运机器人和锁付机器人的输出信号以及螺丝定位机构相关的气缸状态、传感器状态组成，输出模块则是由两个机器人的输入信号以及控制相关机构气缸作出动作的信号组成，从而控制机器人完成一系列工作。其中使用了3个输入模块：AJ65SBTB1-32D×3，3个输出模块：AJ65SBTB1-32TE1×2、AJ65SBTB1-32T，使用了96个PLC输入量和82个PLC输出量。
2.3 触摸屏的选型
触摸屏是一种人机界面（Human Machine Interface），可以实现监视产线的运行状态，控制产线中执行机构的动作，对产线中的数据进行存储和共享等功能。由于本设计采用的PLC模块为三菱系列，为了方便它们之间的通信连接并保证稳定性和数据传输的实时性，采用具有以太网接口的GS2110-WTBD-N触摸屏。如图4所示，将触摸屏界面设计好，并与产线系统连接，可以对装配线进行I/O监控、报警处理、查看生产信息等操作，在输入密码获得权限后可以对产线工位的参数以及部分流程进行更改。
图4 产线触摸屏界面图
3 机器人的应用
机器人作为本装配产线最重要的执行机构之一，负责产品的搬运以及螺丝锁付工作。本装配线选用广州数控机器人，型号为GSK-RB35以及GSK-RB50，具体参数见表2。
表2 机器人参数
3.1 机器人I/O定义
装配线中大多数的执行机构都是由PLC控制，机器人与PLC之间通过物理I/O进行通信。因此，在调试前期需要对机器人的I/O与PLC侧进行信号约定。这样PLC通过对外部传感器的信号进行分析处理后再将其作为信号输出，从而控制机器人的动作。GSK-RB35型机器人内部共有32个输入和输出信号，每一个I/O信号的地址分别对应一个机器人的输入输出指令。如机器人输入端口X0.8对应机器人指令里面的IN8，当PLC侧给机器人侧的X0.8发出一个高电平信号，相应的IN8也会接通，由此来控制机器人的动作。由于机器人程序的加载方式采用正常加载的方式，在该型号机器人的32个I/O口中，IN0～IN7（OT0～OT7）为系统定义的信号，IN8～IN32（OT8～OT32）是可以由用户自定义的信号。系统定义的信号主要是系统急停信号、暂停信号、运行信号、伺服准备信号等表示机器人所处状态的信号，用户自定义信号是用户为了达到某些需要的功能而定义的I/O。搬运机器人部分自定义的I/O 见表3。
表3 搬运机器人部分自定义I/O
表3 中每一个自定义的信号都需要不断调试，否则会导致机器人做出错误的动作，造成人力、物力的消耗。
3.2 机器人与PLC以及触摸屏之间的关系
机器人作为执行机构完成整条产线的搬运和锁付工作；PLC作为主控制器协调现场各机构和执行器的配合工作；触摸屏作为产线的监控设备，让操作人员可以更加便利地对产线进行操作，更加便捷地查看产线的状态以及生产信息；现场总线则作为产线中各种控制信号、传感器、执行机构之间信息传递的媒介。三者之间关系如图5所示。
图5 机器人与PLC以及触摸屏之间关系
3.3 机器人动作逻辑的设计
本设计主要描述整条产线的最后两个机器人的工位，分别以搬运机器人和锁付机器人来命名。如图6所示，搬运机器人在结构上设计了两个末端执行器，分别是一个通过气缸控制的夹爪和一个吸盘。搬运机器人的任务就是将上一工位完成的产品用夹爪夹取到锁付滑台，然后将护盖通过吸盘运送到产品上。锁付合格/不合格的产品还需要由搬运机器人同样用夹爪搬运到喷印工位或NG皮带上，通过锁付机器人的伺服拧紧机构的实时信号，传达给PLC控制系统，经过系统处理判断是否合格。
图6 搬运机器人末端执行器效果图
锁付机器人的任务就是从送螺丝机构将螺丝取出来并将护盖与产品锁紧，锁付机器人的动作逻辑如图7 所示。为了减少机器人取螺丝的次数，提高锁付效率，锁付机器人共安装3 个伺服拧紧机构，整个流程下来需要取两次螺丝，如图8所示。
图7 锁付机器人动作逻辑
图8 锁付机器人伺服拧紧机构
4 现场调试
三元催化器装配线控制系统的现场调试涉及多种机构的协调，如机器人、刻印机、锁付治具、伺服拧紧机构、振动送料装置等，要让这些机构能够达到厂家要求的生产状态需要大量的时间进行调试。经过现场不断对PLC 程序、机器人程序的调试以及对机器人动作的修订，该装配线控制系统已经可以在现场稳定运行，且能够达到一个较好的节拍以及生产合格率。实际生产过程中的节拍可以达到32s，满足客户要求，生产合格率达到98%。
5 结语
本研究基于企业的生产需求，完成了三元催化器自动化装配线的控制系统设计，采用PLC总控技术结合CCLink总线技术设计了一套控制方案，根据该方案开发了控制系统。根据方案对PLC的各个模块以及触摸屏等硬件进行选型和配置，并设计了机器人的程序流程，通过现场调试与试运行，安全系数、节拍以及合格率均满足生产需求。对比实际使用效果，使用本文的I/O模块占用空间更小，节省的分线模块空间可用于安装其他部件。使用西门子I/O模块PP72/48的电柜实际布局如图7所示，本文使用的国产I/O 模块的电柜布局如图8所示。
