線束自動加工生產線控制系統設計

張 洪， 高 威*， 吉 華

(1.江南大學 機械工程學院， 江蘇 無錫 214122；2.江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室， 江蘇 無錫 214122；3.無錫愛思通科技有限公司， 江蘇 無錫 214112)

近年來，我國家電、汽車等行業迅速發展，使線束市場需求以每年超過20%的速度增長。在此背景下中國的線束產業規模和生產企業數量均在急劇增長，為電纜線束產業的發展與壯大提供了土壤，也給剝線機等線束加工設備提供了發展機遇[1]。

為解決新能源汽車領域的高壓線束依賴傳統手工加工，以及現有設備自動化水平不高、加工效率低等問題，課題組研發了一款新的線束自動加工生產線，采用PLC實現線束自動加工生產線的自動控制[2-4]，通過程序指令進行控制，運行速度快，能夠實現較高精度定位及程序執行過程的自動監控，現場調試維護方便[5-8]。

1 線束自動加工生產線結構組成

線束自動加工生產線的研發是為了實現新能源汽車高壓線束加工的無人化、智能化。線束智能加工設備的總體結構如圖1所示，主要包括放卷機、放線架、掃滑石粉單元、激光打碼單元、切線機和下線單元6個模塊。各部分的功能如下：

1) 放卷機，位于線盤存放處，通過電機帶動絲桿驅動左、右2個夾爪夾持導線滾筒，提升馬達通過提升吊繩來提升導線滾筒。導線滾筒的右側夾爪連接著放卷電機，放卷電機由變頻器控制速度，根據切線機的用線需求控制放線速度。通過左、右電機和上、下電機實現線盤在放卷機中的位置調節，以便操作人員對線盤的更換。放卷機在手動穿線時需要調整到手動模式，在自動加工時則需要調整到自動模式。

2) 放線架，是輔助放卷機平穩過渡送線的裝置，包括過3個過線輪及擺桿。擺桿在擺桿氣缸的作用下保持恒定的推力，當前方切線機的用線速度小于放卷機的速度，即放線速度快于用線速度時，擺桿在重力作用下向下運動，擺桿末端的角度傳感器輸出信號給PLC輸入端，PLC控制變頻器放慢放線速度；反之，當前方切線機用線速度大于放線速度，即放線速度慢于切線速度時，擺桿會在導線的拉力作用下向上運動，擺桿末端的角度傳感器輸出信號給PLC輸入端，PLC控制變頻器加快放線速度，以滿足前方切線機用線需求。

3) 掃滑石粉單元，由2排可調節距離的旋轉滾輪組成，可以完成對線束上滑石粉的清掃，處于持續工作狀態。

4) 激光打碼單元，通過鐳揚激光打碼設備產生激光在線束上的指定位置打上二維碼。

5) 切線機，可實現線束的定長切線、退外皮和輸送等功能，可以滿足多種工藝下的線束加工。

6) 下線單元，是導線裁切后收集導線的輔助裝置。當切線機將導線首段輸送到收線槽皮帶后，若皮帶運行線速度大于切線機送線速度，導線隨皮帶向前運動。當切線機將導線切斷后，切線機上的導線夾爪夾持導線尾部，下線單元的取線夾爪抓住導線向正前方運動，在取線夾爪的帶動下導線從皮帶上脫落，放置于上部線槽內，當加工導線數量達到10根后，上部線槽反轉，加工好的10根導線落入下部線槽。

圖 1 線束智能加工設備總體結構Figure 1 Overall structure of wire harness intelligent processing production

線束自動加工生產線的核心模塊為放卷機和切線機。放卷機采用電動方式實現線盤夾緊和提升，最大載質量為1 000 kg，線盤直徑為800 mm、寬度為500 mm、孔徑為83 mm，適用于10～70 mm2導線。切線機可以對動力線、塑料線、特氟龍和玻璃線材等進行加工，加工線束的截面積為0.1～150.0 mm2，線束切割長度L為80～100 000 mm，切割公差為±(0.2±0.002*L) mm，剝線長度為0.1～200.0 mm。

2 線束自動加工生產線控制流程與需求分析

線束自動加工生產線控制系統以PLC作為核心控制器，實現智能化和自動化控制[9-12]。在首次加工時，需要進行人工穿線，穿線流程如圖2所示。穿線完成后可實現持續的自動化生產，加工具體控制流程如圖3所示，圖中950 mm為打標到切刀的距離。

圖 2 穿線流程圖Figure 2 Flow chart of threading

圖 3 加工控制流程圖Figure 3 Flow chart of process control

對生產線功能需求以及加工過程進行分析，控制系統應滿足以下要求：

1) 有多種模式可供選擇，如工作模式、多循環模式、慢速模式和手動模式等。

2) 可針對線束種類和加工要求存儲對應的加工工藝參數。

3) 系統應具有較高的可靠性?？刂葡到y中應配有報警程序，設備上安裝有報警指示燈。當系統出現故障時，觸摸屏顯示報警信息且報警指示燈亮，蜂鳴器蜂鳴。

4) 可實時顯示設備狀態。觸摸屏顯示界面顯示設備當前運行狀態、生產工藝、生產計劃以及線束加工方式等系統參數。

5) 系統應具有較高的定位精度?？刂葡到y應具備反饋調節和誤差補償能力，以確保系統具有較高的精度。

6) 系統應便于工人操作，具有自動啟停、一鍵急停等功能。

3 控制系統硬件設計

為滿足生產線的功能需求，實現線束智能化、自動化加工，該系統硬件主要包括PLC控制器、伺服電機和傳感器等。以FP0HC32ET型PLC為控制系統的核心，一方面采集并處理設備的各種開關量信號、模擬量信號，以達到對伺服電機及氣缸運動的精確控制；另一方面通過以太網將實時數據傳輸給工業計算機，并在觸摸屏上顯示，實現良好的人機交互功能。自動控制系統的硬件結構如圖4所示。

圖 4 系統硬件結構圖Figure 4 Structure diagram of hardware system

課題組選取松下FP0HC32ET型PLC作為主控制器，根據生產線實際需求，外擴1個FP0RA42的FP0R模擬量輸入/輸出單元、2個FP0HM8N的RTEX 8軸型位置控制單元、1個FP0HXY64D2T的FP0H 擴展I/O單元和1個FP0RE32T的FP0R擴展單元，配上FP0HCCS1M1的FP0H 通信插卡。

放卷機設置3臺三相交流異步電機，電機配有FR-A840系列變頻器；切線機中的9臺伺服電機和激光打碼機中2臺伺服電機通過伺服驅動器與PLC相連；系統通過繼電器與電磁閥控制氣缸的運動；系統選用PPC10J101W系列的工業計算機和觸摸屏；系統中數字量信號主要包括各類型操作按鈕、磁性開關和空氣開關等，模擬量信號來自角度傳感器和電位器等。

4 控制系統軟件設計

課題組依據控制系統功能和硬件組成進行了控制器和觸摸屏界面設計[13-14]。系統主程序加工流程如圖5所示。

圖 5 主程序流程圖Figure 5 Design flowchart of main program

4.1 控制器設計

線束自動加工生產線以PLC作為核心控制器，由FP0HM8N RTEX 8軸型位置控制單元控制伺服驅動器，驅動電機帶動絲桿轉動實現刀具的運動。通過編碼器記錄線束實際位置，并與電機的行進距離對比，形成反饋進行補償。課題組通過FP0HXY64D2T FP0H 擴展I/O單元實現對系統內各傳感器信號的采集以及電磁閥的控制。課題組通過AFP0RA42 FP0R模擬量輸入/輸出單元采集角度傳感器、電位器及變頻器的信號。FP0HC32ET FP0H 控制單元主要完成對數據的運算處理和邏輯控制。此外，還可通過交換機將設備的運行狀態及相關參數實時傳送至工業計算機，實現對設備的在線監測。

程序設計在專用軟件FPWIN-GR7上進行。為了便于程序設計與后期的維護，采用模塊化編程，對每個電機、加工模式和設備模塊進行子程序編程，通過調用子程序實現整體的功能。主要的程序模塊如圖6所示。

圖 6 主要的程序模塊Figure 6 Module of main program

4.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏界面包括運行主界面、參數設置界面、模式選擇界面、校對調試界面、工藝調試界面、歷史報警界面、I/O點位界面、權限登錄界面和權限管理頁面。 主界面主要顯示設備當前運行狀態，包括設備參數、當前生產工藝、生產計劃、線束加工方式以及報警信息等。觸摸屏主界面如圖7所示。

圖 7 觸摸屏主界面圖Figure 7 Main interface of touch screen

5 實驗結果分析

在上述研究基礎上進行系統平臺搭建，并進行線束智能加工的生產實驗。實驗結果表明新機在生產試運行過程中并未發生零部件變形、加工異形等現象，設備可以正常運行，驗證了上述控制系統設計的可行性。設備實物和控制系統硬件平臺如圖8和9所示。用該設備可以實現每小時生產200根線束，且加工誤差在設計要求之內，節約大量的人力，且產品質量遠超人工。

圖 8 設備實物Figure 8 Physical device

圖 9 控制系統硬件平臺Figure 9 Hardware platform of control system

6 結語

課題組以一條完整的生產線為研究對象，以PLC為的核心構建控制系統，進行模塊化設計，實現了對線束智能加工生產線的有效控制。該生產線具有操作簡單、穩定性好、加工過程無人化、可以實時監控加工狀態與設備運行狀態等功能，對其他的線束加工設備設計有一定的借鑒作用。該控制系統尚缺乏實時準確的反饋系統，不具備參數的自我調節能力，這是今后需要繼續改進的方面。