李伟光 林思引

(华南理工大学机械制造及其自动化学院，广东广州 510641)

不锈钢餐厨具以其美观轻便、光洁、易于清洗、不锈蚀等优点颇受国内外消费者欢迎，已逐渐成为餐具中的主流［1］。不锈钢厨具拉伸成型生产线主要完成取料、冲压拉伸和卸料等工序。传统的生产方式由人工取料，并对钢板和模具喷油润滑，再手动送料入冲压机成型，最后卸料。由于工人操作的不稳定性，从而影响冲压产品质量的稳定性。同时，加工过程涉及机械冲压，若生产条件差，易发生工伤事故。

为了提高不锈钢厨具生产的自动化水平，改善生产线工作环境，本文采用了基于PLC+PC控制模式的机器人系统，构建了包括设备层、控制层和管理层的不锈钢厨具拉伸成型自动生产线，利用机器人、拉伸料重叠检测装置和冲压机的协同工作，完成工件的自动拉伸成型。

1 不锈钢厨具拉伸成型生产线整体介绍

现有不锈钢厨具拉伸成型设备是冲压机。生产线主要完成三道工序:上料、拉伸成型、下料。工人将不锈钢板和冲压模具喷油润滑后，将钢板人工送入冲压机预定位置，然后按下冲压按钮并控制冲压按钮，冲压拉伸完成后再由工人卸料。由于人工操作的不稳定性，造成产品质量不稳定，并且工作环境有一定的危险性，故对不锈钢厨具拉伸成型生产线的自动化改造很有必要。本文采用自主设计的基于PLC+PC控制模式的五轴机器人替代工人操作，与拉伸料重叠检测装置和冲压机构成不锈钢厨具拉伸成型自动生产线［2］，如图1所示。机器人主要完成拉伸料和工件的搬运，重叠检测装置用于检测拉伸料(钢板)是否重叠，冲压机主要完成冲压拉伸成型，控制柜是整个系统的控制装置。

2 不锈钢厨具拉伸成型自动生产线构建

2.1 不锈钢厨具拉伸成型自动生产线整体结构

本文构建了基于机器人的不锈钢厨具拉伸成型自动生产线，整体结构如图2所示。该生产线由负责生产信息管理的管理层，负责拉伸成型过程的控制层，以及设备本体构成的设备层组成。

2.2 管理层结构

基于机器人的不锈钢厨具拉伸成型自动生产线系统中的生产信息管理系统，完成订单管理、生产管理、工艺管理、报警管理和操作人员管理等工作，功能结构如图3所示。

2.3 控制层结构

控制层(如图4所示)是整个系统的核心，控制机器人与拉伸料重叠检测装置、冲压机的协同工作。控制层由主PLC+从PC的主从控制模式构成。PLC负责系统的逻辑控制部分，具体包括冲压机的信号采集、冲压控制和顺序上下料控制，拉伸料检测装置的信号采集，与PC进行通讯、置位标志位等。PC机实时扫描串口，当监测到主PLC发出的标志位时，通过运动控制卡控制机器人的伺服轴运动，实现机器人的插补运动控制和拉伸料吸放操作。

控制系统基于高性能PLC和PC，PLC通过RS422连接触摸屏，PC连接显示器和键盘鼠标实现信息交互，同时PLC和PC通过串口通信交换标志位。

2.4 设备层结构

设备层主要包括冲压机、拉伸料重叠检测装置和机器人。各设备在控制系统的控制下协调配合，完成不锈钢厨具拉伸成型的自动化生产。

(1)冲压机

冲压机是完成不锈钢厨具冲压拉伸成型工序的设备。不锈钢厨具拉伸成型系统可以是一台机器人对应多台冲压机，以提高生产效率。本文设计的生产线以一台冲压机为例。为了适应不锈钢厨具拉伸成型生产线的自动化需要，在原有冲压机的基础上，进行适应性改造。主要是加装传感器和传感器与PLC的连接。传感器检测冲压机是否完成上料、冲压以及下料，再将各动作信号输入PLC输入口。PLC输出信号控制冲压机入模、冲压时间、出模等动作。

(2)拉伸料重叠检测装置

拉伸料重叠检测装置是实现机器人吸取拉伸料时钢板是否重叠的检测，防止多片重叠的拉伸料被同时送入模具内造成模具爆裂。由于拉伸料是光滑的不锈钢板，且入模前表面已喷润滑油，故钢板有时会粘合。拉伸料重叠检测装置通过检测钳检测机器人吸取的钢板厚度。检测传感器在单片钢片或钢片重叠时会有不同的信号，通过判断检测传感器的不同信号达到检测拉伸料是否重叠。当机器人手爪吸取的是单片钢板时，机器人继续进行上料工序;当检测到吸取的钢片重叠时，机器人丢弃吸取的钢片，重新吸取新的钢片。

(3)机器人

机器人完成拉伸料在各设备间的搬运，结构如图5所示。机器人有5个自由度，分别位于腰部、大臂、小臂、手腕和手爪，其运动由PC+运动控制卡实现。运动控制卡控制5个伺服驱动器带动伺服电动机，从而控制机器人实现各动作和末端运动轨迹。机器人末端安装有一执行拉伸料吸放的末端执行器，如图6所示。该执行器采用通用化设计，主要由吸盘装置和喷油润滑装置构成，实现各种规格拉伸料的吸放和润滑。

3 不锈钢厨具拉伸成型自动生产线工作流程

基于机器人的不锈钢拉伸成型生产线控制系统为PLC+PC控制模式，以PLC的逻辑控制为主，以PC和运动控制卡的运动控制为从。该系统设计有6种工作模式，分别为回零模式、手动模式、示教模式、自动模式、停止模式和故障模式，具体的工作模式由人工在触摸屏上进行选择，如图7所示。下面分述如下:

(1)回零模式为系统上电启动后，分别启动机器人、冲压机、拉伸料重叠检测装置，PLC进行冲压机就绪检测、拉伸料重叠检测装置状态检测，PC串口初始化、标志初始化、VC窗口初始化、机器人空间位置初始化(5个关节轴的回零)。若有设备出现故障或延时未能监测到信号，转入故障模式。

(2)手动模式为人工控制操作，此处有两种方式:在触摸屏上操作可以使机器人执行被选择的动作，在PC的运行界面上操作可以手动控制机器人的5个轴和气爪单独动作。

(3)示教模式为利用PC界面人工操作伺服轴运动，示教完成后机器人自动运行之前示教的轨迹和动作。

(4)自动模式为生产线完全在PLC和PC的控制下按生产节拍自动运作，无须人工干预。

(5)停止模式为生产线停止生产后各设备所必须进行的处理模式。

(6)故障模式为当控制系统检测到故障信息时转入的处理模式。

本文仅论述自动模式流程。

4 结语

本文首先介绍了不锈钢厨具拉伸成型生产线的整体情况及设备布局，提出采用基于PLC+PC控制模式的机器人，与重叠检测装置和冲压机组成自动化生产线。该生产线控制系统有生产信息管理层、逻辑和运动控制层、设备本体构成的设备层，最后介绍了生产线的6种工作模式并重点叙述了自动模式流程。本文构造的基于机器人的不锈钢厨具拉伸成型自动生产线可以适应不锈钢厨具的实际生产，满足了生产线自动化的要求。

［1］纪冬.不锈钢餐厨具出口:喜忧参半［J］.中国检验检疫，2008(1):13－14.

［2］陈生翰.不锈钢厨具拉伸成型工序机器人控制软件与实现［D］.广州:华南理工大学，2009:6－7.

［3］席盛代.基于PLC+PC工业控制系统的应用与发展趋势［J］.工业控制计算机，2008，21(7).

［4］周焱森，邓菊发，李红.机器人在冲压线中的应用［J］.现代零部件，2004(9):73－75.

［5］MURPHY.Introduction to AI robots［M］.Massachusetts:The MIT Press，2000.

［6］FELIX I，RAJA C，RACHID A.An architecture for dependable autonomous robots［J］.Emerging Technologies and Factory Automation，2001(2).