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2 0 1 2年 1月 第 4 O卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J a n．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 1 9 基于 P L C与伺服液压的装胎机控制系统设计 杨志永，李辉 天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津3 0 0 2 2 2 摘要设计了装胎机控制系统，该系统为电液闭环控制系统，以 P L C为控制核心 ，结合变频器、伺服电机、位移传感 器等，完成了轮胎的高效运送和精确定位，实现了自动组胎功能。 关键词 P L C；位置伺服控制；电液伺服控制；装胎机 中图分类号， I ’P 2 7 1 ． 4 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2- 0 5 3 3 De s i g n o f Co n t r o l S y s t e m f o r T y r e M o u n t i n g M a c h i n e Ba s e d o n P LC a n d S e r v o Hy d r a u l i c YANG Z h i y o n g．L I Hu i S c h o o l o f A u t o ma t i o n a n d E l e c t ri c E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o n t r o l s y s t e m f o r t y r e mo u n t i n g ma c h i n e Wa S d e s i g n e d ． T h i s s y s t e m wa s a n e l e c t ro- h y d r a u l i c c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m． I n t h i s s y s t e m,P L C w a s u s e d a 8 c o n t rol c e n t e r a n d c o n v e r t e r ． s e r v e mo t o r a n d d i s p l a c e me n t s e n s o r s we r e a d o p t e d t o c o mp l e t e h i g h e ffi c i e n c y c a r r y i n g a n d e x a c t p o s i t i o n c o n t r o 1 ．Th e f u n c t i o n o f a u t o ma t i c t y r e aSs d mb l y i s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s P L C；P o s i t i o n s e l* v O c o n t rol ；E l e c t ro h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l ；T y r e mo u n t i n g ma c h i n e 随着汽车制造业的飞速发展，汽车装配生产线的 自动化程度也越来越高。在车轮总成工艺中，轮胎装 配生产是全 自动轮胎装配线的重要环节。为了提高生 产效率、降低劳动强度和保证生产质量，设计了以 P L C为控制核心，结合电一液伺服控制及伺服变频技 术的自动装胎机控制系统。 1 系统组成及工作原理 自动装胎 系统的结 构示意图如图 1 所示 。 l 一 装 胎 头 2 m 伺 服 电机 卜 装 胎 臂 4 一装 胎 器 5 一装 胎 头升 降液压缸 6 一主机架 卜 压 胎 器 - - 小 车 9 _ _ 支 架 二 l O 一轮 胎 l l 一 轮毂 1 2 一 小 车驱 动 电机 1 卜 支 架一 图 1 装胎机结构图 送胎时，先把轮毂放在支架一上，再把轮胎斜 放在轮毂之上，小车上升托起轮胎和轮毂后加速向装 胎机内运行；为保证装胎效率和定位精度 ，在接近 目 标时，遇到限速传感器使小车低速运行直至到达装胎 位置；小车下降将轮胎轮毂放在支架二上后返回，由 支架二上的卡盘固定轮毂等待组装。 装胎时，由升降液压缸带动装胎头整体下降， 3 个电液伺服 阀推动各 自的伸缩缸将装胎头 内的装胎 臂 、装胎器和压胎器调整到合适位置，装胎器伸人轮 胎与轮毂之间的间隙，由装胎臂带动旋转第一圈将轮 胎下缘导入轮毂，轮胎 自然下落后，电液伺服阀推动 压胎器压住轮胎 ，装胎臂带动装胎器旋转第二圈使轮 胎上缘导入轮毂完成组装，且小车人位准备送出轮 胎 。 装胎完 成后 ，装胎 头带动装 胎臂 、装 胎器 和压胎 器回原位等待下一个轮胎到来。回原位信号和支架一 上的轮胎就绪信号启动小车上升将装好的轮胎托起然 后送 出 ，同时下一个需组装 的轮胎又送入装胎机 ，如 此循环完成 自动组装 。 2 P L C电气控制系统 P L C为该控 制系统的核心 ，根据生产工艺过程需 要 1 8个数字输入点、1 5个数字输出点。系统选用西 门子 C P U 2 2 6 D C ／ D C ／ D C型 P L C ，根 据电液伺 服系 统中有 3个模拟量输入 3 个位移传感器和 3个模 拟量输出 3个伺服放大器 的要求，扩展了 3个 E M2 3 5模块。电气控制系统图如图2所示。 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 7 作者简介杨志永 ，硕士研究生，研究方向为智能检测与控制。Em a i l a b b o t t y z y 1 2 6 ． c o rn。 5 4 机床与液压 。 第 4 0卷 。 }-1’ I l l l 。 0 10l。l。l0l 1 0l 0l 0l Q1 0l 0l 1 0l 0l 0 l Q l 0 l l ＆ 1 0 l l 。1 0 l0 l L I o lo ．1 2 1． ．J l l L l o ．4 l ．s l 1 ,6 I “l 1． o l I 3 L l 1 ．1 l I ． 2 l I ．，lL 4 l l s I 1 ．‘ l 1 ．7 l l 地I N lL I cPu2 2 6 DC2 4v i M ] e 。 l o ．1 l z 1 0 ．3 l O ．4 I G 州0 ,6 7 lI 1． Il _1 b l 1 ．4 l 2 M l ul ulL fl ．0 1 2 ．I l柚 4 2 2 5 l 2 ．6 i 2 ．7 l M l L 01 0l 0 l 0l 0 l 0l 01 0l 01 0b ● 0l Q101 01 0● 0l 。1 0 bI Q- 0l 0l 。l 0 l l l l I I l I l l l l I I I l I I I I 塞 。 l l l l 餐 l 图 2 P L C控制系统图 2 ． 1 P L C的 I ／ ／ O分 配及 功 能 轮胎输 送系统 占用 P L C的 1 0 ． 4 一I 1 ． 4 、Q 1 ． 1 一 Q 1 ． 6 ，与 M M 4 4 0变频器组合驱动一台三相异步电动 机 。 P L C对伺 服电机 的控制 由 I 1 ． 5 一I 2 ． 1 、Q 0 ． 0 一 Q 0 ． 3 配合实现。 在电液伺服系统中的 3个 E M 2 3 5模块，分别控 制装胎臂、装胎器和压胎器达到精确定位。具体 I ／ 0 分 配及功能如表 1 所示 。 ‘ 表 1 I ／ 0分配表 I ／ O 功能说明 1 0 ． 0 l 0．1 1 0． 2 1 0． 3 1 0． 4 1 0 ． 5 1 0 ． 6 1 0． 7 I 1 ． 0 I 1 ．1 I 1 ． 2 I 1 ． 3 I 1． 4 I 1 ． 5 I 1． 6 I 1 ． 7 装胎头上升 装胎头下降 装 胎头上升行程开关 装胎头下降行程开关 启动按钮 轮胎检测传感器 小车前进限速传感器 小车返回限速传感器 小车支架一端行程开关 小车支架二端行程开关 停止按钮 小车上升终点传感器 小车下降终点传感器 伺服报警输入 原点位置检测传感器 报警复位按钮 续 表 1 I ／ O 功能说明 I 2． 0 I 2． 1 Q o ． 0 Q o ． 1 Q o ． 2 Q o ． 3 Q o ． 4 Q o 。 5 Q o ． 6 Q o ． 7 Q 1 ． o Q 1 ． 1 Q 1 ． 2 Q1 ． 3 Q1 ． 4 Q1 ． 5 Q 1 ． 6 E M2 3 5 1 E M2 3 5 2 E M2 3 5 3 伺服准备 伺服回原点按钮 脉冲输出 伺服 正反转 控制 伺服使能 报警复位 装胎头上升 装胎头下降 装胎臂截止阀 4 D T 装胎器截止阀 5 D T 压胎器截止阀 6 D T 小车升降控制电磁阀 频率选择端 D I N1 频率选择端 D I N 2 频率选择端 D I N 3 变频器启停控制 D I N 4 小车抱闸 装胎臂定位控制 装胎器定位控制 压胎器定位控制 2 ． 2监控 系统 为便于操作和对整个生产过程进行监控，系统以 西门子 T P 1 7 0 B作为上位机对装胎机的运行状态进行 监控 。在触摸屏上分别组态了小车运行速度 I ／ O 域，装胎臂、装胎器及压胎器 I ／ O域，设备的报警画 面，各运动部件的手动调节按钮。其中速度 I ／ O域用 于设定小车的速度 ；装胎臂 、装胎器及压胎器 I ／ O域 可根据不同型号的轮胎及时调整位移量；设备的报警 画面供在设备发生故障时查阅；各运动部件的手动调 节按钮供设备调整时使用。 3 轮胎输送系统 轮胎和轮毂是由一个沿直线导轨运动的小车运送 到装胎机中。由于在运送轮胎的过程中放在小车上的 轮胎无固定装置 ，小车快速停止轮胎会因惯性太大而 脱落，故要求开始时中速运行在接近 目标位置时减速 运行 ，返回时因车上无轮胎可高速运行以节省时间提 高生产效率，接近停止位置时低速运行 以减少冲击。 为实现上述功能系统采用西门子 MM 4 4 0变频器 的4 段固定频率控制方式来实现轮胎的输送 。 4 装胎臂的伺服控制系统 装胎过程是由装胎臂经两次旋转完成。系统采用 伺服电机及驱动器与 P L C配合组成 电气交流伺服系 统实现控制要求。P L C作为控制器发送高速脉冲信号 给伺服驱动器驱动电机旋转。伺服电机运行的速度与 第 2期 杨志永 等基于 P L C与伺服液压的装胎机控制系统设计 5 5 一 个脉冲旋转的角度由电子齿轮比设定。其公式为 电子齿轮比 伺服电机所选配编码器为2 5 0 0 p ／ r ，5线制增 量式，分辨率为 1 0 0 0 0 P ／ r 。如伺服电机每转一圈需 3 6 0 0个脉冲，则设定电子齿轮比为2 5 ／ 9 。 控制过程中，在伺服驱动器的脉冲 方向工作模 式下，Q o ． 0发脉冲信号，控制电机 的转速和 目标位 置；Q o ． 1 发方向信号 ，控制电机正反两个方向的运 动。在装胎头上设置了参考点传感器用于限位及寻找 参考 点 。控 制 思 路 是 通 过 P T O模 式 输 出 一 个 5 0 ％占空比脉冲串，用于控制伺服电机的速度和旋转 角度。当发生故障停机后 ，由 I 2 ． 1 给出回原点信号 迅速返回参考点。图 3为高速脉冲方式位置控制流程 图。 图3 高速脉冲位置 控制流程图 5 装胎机液压系统 1 液压系统的组成 装胎头的上升和下降、装胎臂的尺寸调整及装胎 器和压胎器的下降深度调节都靠液压驱动。液压系统 如图 4所示 。 图 4 液压 系统 图 阀 其中装胎头的上升和下降都是液压缸的满行程运 动，所以一个开关 阀7 D T即可控制其上升下降，而 装胎臂、装胎器和压胎器都要有准确的位置调节 ，系 统中采用了3组电液伺服装置来实现。图中 1 D T为 装胎臂电液伺服阀，2 D T为装胎器电液伺服阀，3 D T 为压胎器电液伺服 阀，4 D T 、5 D T 、6 D T为开关 阀。 根据实际要求作者选用了动圈式电液伺服阀及与之配 套的伺服放大器。 2 电液伺服系统分析 电液伺服系统主要包括位置控制系统、速度控制 系统和力矩控制系统等。装胎机的3套电液伺服装置 是位置控制系统，分别控制装胎臂、压胎器和装胎 器。由于控制原理完全相同，所以只就装胎臂控制系 统加以说明。系统框图如图5 所示。 图5 伺服系统框图 系统以P L C作为闭环 比较点 ，以触摸屏输入 的位移量 D 。 作为装胎臂伸缩的给定信号，位移 传感器将伸缩缸位移 。 转换成电压信号 输出， 再经过A ／ D转换与D 比较运算得到偏差信号 ，并 经伺服放大器转换成电流信号驱动伺服阀，最终使伸 缩缸向 目标位置运动 。 6结论 系统将 P L C 、触摸屏、液压伺服、变频调速及伺 服电机控制结合在一起实现了自动装胎功能，单个轮 胎的组装时间减少到 1 3 s ，只有手工装胎的 1 ／ 5 ，同 时使生产过程 中的轮毂划伤减少到 0 ． 1 ％，大大提高 了劳动效率和生产质量。 参考文献 【 1 】 智爱娟． 如何选择可编程序控制器 P L C [ J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 5 6 2 0 02 0 1 ． 【 2 】 李辉． 基于 P L C和智能仪表的 自动称重二级控制系统 [ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 0 6 2 7 O一 7 1 ． 【 3 】闰飞飞， 石春， 吴刚， 等． 基于 P L C和触摸屏的电动缸自 动测试系统设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 1 4 3 8 ． 【 4 】 张华强． 基于 H M I 和 P L C的锅炉送煤传动控制系统 [ J ] ． 电气 自动化， 2 0 0 6 2 5 5 5 6 ． 【 5 】 侯文霞． 基于 P L C控制的变频调速中小型恒压供水系 统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 8 1 2 6 ． 【 6 】 李辉． S 7 - 2 0 0 P L C 编程原理与工程实训[ M] ． 北京 北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 8 ． 【 7 】 徐轶 ， 杨征瑞， 朱敏华 ， 等． P L C在电液比例与伺服控制 系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 5 1 4 31 4 4 ．
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