第42卷第23期包装工程
2021年12月PACKAGING ENGINEERING·207·
熊颖1a，汤学华1b，张勇2，牛凡1c，周志勇1b
（1.上海电机学院 a.机械学院 b.设计与艺术学院 c.商学院，上海201306；
礼花发射器
2.上海航天设备制造总厂有限公司，上海201100）
摘要：目的针对国六标准三元催化器GBD机器人自动封装生产线设计需求，为了提高GBD的封装效
率和质量，减少重复劳作，减轻生产过程中的劳动强度，降低企业生产成本，以缩短生产线生产周期、
提升自动化水平。方法重点完成生产线电气系统设计等内容，改变传统的单PLC控制方法。结果在
vobu
原有的封装生产线的基础上，突破多PLC控制系统的关键技术，研制出了GBD机器人自动封装生产线
电气系统。通过实际生产使用，有效地提升了生产线封装效率，将单载体单次缩径整线生产节拍由60 s
缩短至45 s，有效提高了生产线的封装效率。结论实践证明，该GBD封装生产线能平稳运行，显著提
升企业的自动化水平。
关键词：PLC；GBD封装生产线；电气系统设计；逻辑控制
中图分类号：TB486+.3；TP278 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2021)23-0207-07
DOI：10.19554/jki.1001-3563.2021.23.029
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Design of Electrical System for GBD Robot Automatic Packaging Production Line
XIONG Ying1a, TANG Xue-hua1b, ZHANG Yong2, NIU Fan1c, ZHOU Zhi-yong1b
(1a.School of Mechanical Engineering b.School of Art and Design c.School of Business, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China; 2.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 201100, China)
ABSTRACT: The work aims to improve the packaging efficiency and quality of GBD, reduce the repe
titive work, lower
the labor intensity in production process and decrease the enterprise production costs according to the design requirements
复印机碳粉of GBD robot automatic packaging production line for three-way catalytic converter in China VI vehicle emission stan-
dards, so as to shorten the cycle of the production line and enhance the level of automation. The electrical system of pro-
duction line was designed and the traditional single PLC control method was changed. On the basis of the original pack-
aging production line, the key technology of multi-PLC control system was realized, so the electrical system for GBD
robot automatic packaging production line was developed. Through the operation in actual production, the electrical sys-
tem effectively improved the packaging efficiency of the production line, shortened the production time of single-carrier
single shrinkage whole line from 60 s to 45 s, and effectively enhanced the packaging efficiency of the production line.
Practice has proved that the GBD packaging production line can run smoothly and can significantly improve the automa-
tion level of the enterprise.
KEY WORDS: Programmable Logic Controller; GBD packaging production line; electrical system design; logic control
收稿日期：2021-02-05
基金项目：上海市经信委项目（沪J-2018-25）；上海多向模锻工程技术研究中心项目（20DZ2253200）
作者简介：熊颖（1997—），女，上海电机学院硕士生，主攻电力系统及其自动化。
通信作者：汤学华（1963—），男，博士，上海电机学院教授，主要研究方向为机电一体化。
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汽车尾气净化装置即三元催化器安装于汽车的发动机排气管中，它可以将车辆尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体净化为二氧化碳、水和氮气[1]。三元催化器包括三大结构件：壳体、衬垫和载体，载体负责承载催化剂，可提供较大的比表面积，使有害气体充分接触催化剂；衬垫能够有效保护载体，起到减震、隔热、抗冲击和密封的作用；金属筒体能够有效支撑和保护载体和衬垫[2]。GBD（Gap Bulk Density间隙容积密度）封装即是将载体用衬垫包裹后塞入金属筒体中的工艺过程，GBD是三元催化器封装工艺的核心性能指标，其计算方法为衬垫质量除以衬垫压缩间隙和衬垫面积的乘积，其中衬垫压缩间隙则是壳体半径与载体半径的差值。
目前，常用的封装方式有定挤压力的捆绑式、恒定直径的塞入式和蚌壳式3种[3]；此类工艺适用于封装规则的金属以及非薄壁载体等。在封装过程中，对三大结构体的精度要求较低[4]、稳定性差、产品精度不高，国五以下产品多采用这种封装方式。2016年发布的“国家第6阶段机动车污染物排放标准”对GDB的封装精度提出更高要求，该标准下，GBD的封装压缩是设置GBD值，并通过外径测量和质量称量，精准获得三大结构体数据，计算得出GBD封装尺寸，再运用封装设备对物料进行包裹、软填充和定径压缩，最后进行检测外径，激光打标等工序，完成整体封装过程。
三元催化器GBD封装生产线连续性高，劳动重复性高、强度大。目前，人工和半自动化封装方式已经无法满足我国对汽车日益增长的需求，相比之下，自动封装能够解决当前封装方式的弊端，提高生产线自动化程度[5]。文中根据国六标准三元催化器实际生产线情况构建一条三元催化器自动封装生产线，并对生产线进行自动化控制及监控。采用新型高效封装方式，通过软填缩径进行封装；严格检查三大结构体，压入及缩径均要求保证高精度，尤其是缩径需要采集3种结构体数据，进行实时计算，获得最终封装尺寸，以解决现有载体分散压装的模式，实现高效、集中的模块化生产模式，提升生产线自动化水平，增加企业效益。
1 GBD封装线研究现状
由于全球制造业发展速度不断加快，对智能制造的研究也更加深入。其中，智能制造技术在GBD自动封装生产线上的研究应用日益增多。近年来，学者们在GBD封装生产线研究方面投入大量研究，2008年，向晓东等[6]在保持排气温度的同时，降低壳体的热负荷，设计的端锥建校了排期的背压，更严格达到排放要求。江洪等[7]于2011年为解决塞入式封装工艺容易产生装配裂纹的问题，提出了新的薄壁涂覆载体导入式封装工艺，并对封装过程进行分析，实验得出能有效减少封装工艺产生的裂纹。2017年，王林岐[8]以陕汽重卡SCR工艺流水线其中的封装载体设备为研究对象，通过生产工艺方案分析、设计制作及试验研究，实现将包裹有棉质衬垫的陶瓷载体平稳地压入催化器桶内的设备。为保证催化器封装达到要求的尺寸和密度，设计出自动化液压封装设备，并借助振动台实验，高温试验等验证设
计方案的可行性。Szyzom等[9]为缩短生产周期，对产品机器人包装工艺参数的选择与优化进行计算机仿真，以机器人生产线要求的性能为基础，利用RobotStudio环境离线机器人编程和虚拟控制器技术，提出了机器人生产线的配置方案。李远辉[10]提出一种基于数字化工厂仿真技术的封装生产线系统设计方法，实现数字化仿真和生产过程智能化，企业可以借此预先评估生产线，以达到缩短研发周期，减少生产成本的目的。Marcin Noga[11]测试了2种三元催化器，一个带有陶瓷载体，另一个带有金属载体。通过实验，进一步地分析GBD 封装生产线自动化技术，突出该领域进一步开发工作的方向。王凯强[12]针对生产线的生产节拍、降低抖动和提高系统寿命问题，提出对生产线冗余机械臂姿态规划和轨迹优化，提高生产线物料传送效率，保证机械臂的平稳运行。
2 自动封装生产线工艺流程
GBD自动封装生产线见图1。主要包括6个单元：壳体与载体外形检测单元、衬垫称重单元、载体与衬垫包装单元、填充单元、压缩成形单元、激光打标与二维码检测单元。自动封装生产线能够自动完成物料传送、外形称量测量、包装、填充、定径压缩整形、打标、外径检测、读码校验等工序。
生产线的工艺流程为：三元催化器GBD自动封装生产线在设备通电、通气后回归原点，壳体和载体同时上料，由传送带传送至相应区域，机器人抓取物料至测试区，运用位移传感器对壳体和载体进行直径测量；在衬垫与载体进行组装之前，用机械臂将衬垫从上料位置送至称量单元进行质量检测。检测
壳体、载体和衬垫合格之后，由传送单元将衬垫推送至包装单元，然后机器人夹持载体放置于衬垫上面并及压到模具凹槽中，两侧夹手将模具完全包裹住。接收到组装完成的信号之后，壳体被固定在过渡筒和推杆之间，衬垫载体组件通过推杆推送至壳体中，实现壳体、载体和衬垫的组装，再由机械臂将包裹体置于暂存工位。压缩机器人接收包裹体暂存信号后，将其转移至GBD压缩工位，通过径向同步移动模具将GBD压缩至标准形状和尺寸。随后，移动平台机器人将成品GBD运送至圆度检测单元工位，选用激光打印方式进行条码打印，并扫描测量，检测合格的产品按规定方式码垛至成品区。GBD自动封装生产线整个流程见图2。
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第42卷第23期熊颖等：GBD机器人自动封装生产线电气系统设计·209·
图1 GBD自动封装生产线整体结构
Fig.1 Overall structure of GBD automatic packaging production line
3 控制系统组成及功能
GBD自动封装生产线系统采用了“HMI+PLC”的控制模式，该系统的电气控制框图见图3。整个系统由控制模块、操作模块、检测模块和执行模块这四大模块组成；其中可编程逻辑控制器（PLC）为该控
制模块的控制核心，操作模块为人机交互触摸屏，检测模块主要是各类传感器，如位移传感器和压力传感器等，执行模块主要为电磁阀、输送电机、伺服电机等。
该系统主要包括以下4个功能。ab胶管
1）操作功能。系统设计了2种自动和手动2种共组模式。自动工作时，用户借用上位机对整个系统进行控制和监测，手动工作时，可以对设备进行单独操控，完成生产动作。
2）控制功能。系统具备在线编程、报错和修改的能力，可以在不中断系统程序运行的情况下，及时调整生产线的运行速度。
3）监测功能。上位机具备完整的组态界面，能够实时监控整个封装生产线的工作状态，获得生产运行的数据，给用户提供真实可靠的资料，将线上的每个物料信息记录，方便管理。同时，可以通过上位机更换生产线的GBD模型，保证生产的高效准确。
4）存储功能。系统具备生产数据存储功能，将生产过程中的各项工艺参数，检测信号、操作数据和报警数据等存储，便于调用。
4 系统硬件设计
GBD自动封装生产线需要高速连续地运行，避免实际生产中的多种影响因素。PLC具有控制性能好、精度高，操作便捷等优点，适用于多种生产环境，因而选用可编程控制器实现对生产线控制的全过程[13]。PLC选型主要根据工艺流程实际应用的特点和要求来确定，明确任务范围中需要的操作，充分考虑系统的输入点和输出点数、CPU容量、PLC功能、外部设备等，综合选择性价比高的PLC和设计系统[14]。
4.1 硬件设计方案
传统的GBD封装生产线系统主要采用单个PLC 对整体进行控制，依照封装工艺流程设计控制方案。由于生产线上设备众多，因此生产线上分别测量的载体和壳体外径数据、衬垫质量数据需要实时传输。通过额定公式计算出不同GBD封装直径，将数据传输至缩管机进行压缩封装，再进行GBD校验，对比封装直径，完成后续封装操作。这部分操作存在大量的数据传输和处理，耗时较长，以单载体单次缩径工艺为例，此种模式控制下的整线生产线节拍为65 s，
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·210·包装工程2021年12月
图2 GBD自动封装生产线工艺流程
Fig.2 Process flow of GBD automatic packaging production line
图3 电气系统
Fig.3 Electrical system
产能不能满足实际生产需要。此外，传统PLC封装生产线电路设计复杂，控制效果较差，制动效果不理想，维修检查麻烦。
考虑到生产线的工艺流程和工业布局，兼顾实际生产的控制和操作的便捷性，根据实际生产线的系统控制功能划分3个区域，每个区域以一个PLC控制为主，机器人控制为辅。上位机组成的GBD自动封装生产的硬件框图见图4。分析可知，GBD缩管整形工序最为复杂重要，耗时长，PLC1主要负责采集机器人传送状态信号、三大结构体测量数据信号、伺服电机缩管状态信号与状态识别信号等，这些信号存在大量的模拟量和开关量，且通道数目较多，因而单独设置一个PLC1完成上述功能，其中PLC1
作为主控系统，实现对生产线的缩管和整形功能；GBD缩管封装前的操作，工序简单，逻辑简洁，由PLC2作为测量和包裹控制系统，通过多种传感器和输送电机实
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第42卷第23期熊颖等：GBD机器人自动封装生产线电气系统设计·211·
图4 生产线电气系统硬件方案
Fig.4 Hardware scheme of electrical system in production line
现对物料的检测和包裹传送，主要处理驱动电机传送物料的状态信号、传感器的直径测量及称重状态信号、机器人传送状态信号等；PLC3为成品的检测系统，实现对成品的激光打标和外形检测功能，负
光纤光栅压力传感器责采集机器人传送状态信号、传感器测量状态信号等。控制屏与PLC1、PLC2和PLC3相连接，协同工作，以通信方式进行数据交换，3套PLC在正常工作模式下能同时运行，实现系统的功能和结构的多模块控制与处理，能够增加系统的抗干扰能力，保证生产的稳定运行。
此外，该研究设置4个机器人代替实际生产线上的人工职能，完成物料在平台的移动。由于机器人是相对独立的控制系统，需要与PLC系统进行有效的联合控制，主要以PLC为核心，通过机器人的数据传输和通信完成指令的收发，以此构建稳定的硬件系统。机器人1，2在PLC2运行时接收指令，进行夹取载体、推送包裹体等动作，当主站PLC1发送指令，机器人2则完成包裹体的推送，由机器人3将包裹体夹取至缩管机进行压装操作；缩径结束，PLC3运行，此时，机器人4接收指令，将封装结束的GBD夹取至测试机，并完成后续的堆垛任务。
4.2 硬件设备选型
GBD机器人自动封装生产线控制回路采用德国西门子的S7-1500PLC作为主控制器，Simotion D425作为运动控制器，同时配置Sinamics S120电源模块、远程输入输出模块ET 200s以及人机交互触摸屏。由于生产线较长，布局大，在系统中装配西门子ET 200s 分布式系统，用于采集生产中的各项传感器信号，电磁阀等控制输出，通过PROFINET、PROFIBUS和上层控制器实现高效快速的数据交换。采用的S120电源模块可以将输入的三相交流380 V电压用过整流电路装换成600 V直流电压，供给伺服
驱动模块，并产生所需的24 V电压辅助控制驱动模块的控制。由于受到场地布局等因素的限制，该研究选用安川机器人公司MS165型号的六轴工业机器人，通过新型减震控制实现生产中的高速化运作，并且该型号机器人小型化、细长化的设计也能实现工业车间的高密度配置。
将多个PLC组合运用至生产线上，实现对总站和分站的控制，进行有效的交叉管理，完善生产线，为封装生产线的管理提供了方便。同时，由于PLC 之间相互通信，在PLC1中对3套PLC的信号实时比较，当比较的结果偏差较大，便发出报警信号，而故障信号通过信号通道分别传送至各PLC中，一旦其中一台产生故障报警，另一台仍可继续工作，系统的可靠性增加；用户可以根据监控数据保障生产线的有效监测，为尽快到故障源，查看数据信息，及时维修提供了便利[15]。
5 系统软件设计
GBD自动封装生产线生产过程的直径检测、包装、缩管、整形、重量检测、不合格品下料、堆垛等操作均为自动操作，整个系统设计动作繁多，逻辑复杂，因而必须注重每个设备的运动状态，避免生产线故障停机，影响实际生产。
由于生产工序复杂，精度要求高，为了提升生产效率，节约生产成本，需要利用监控系统完成生产线的集中化控制，将封装生产线的控制指令集中于一处完成，因而通过设计一套人机交互界面，方便工作人员对整条GBD自动封装生产系统工作的实时监控，因此，利用开发的人机交互界面实现对封装生
产线的各项设备监测，满足生产需求，达到有效保障封装生产的目的。GBD自动封装生产线人机交互界面结构见图5。
GBD自动封装生产线具备自动和手动2种运行方式，用户可以根据生产任务中的GBD种类选择相应的封装模型；人机交互界面中状态监控可以实现对壳体、衬垫和载体的上料状态监控功能、筒体检测状态监控、压装缩管状态监控和最后成品的检测监控功能，以保证对生产线的实时状态了解，一旦系统发生故障，及时反馈。数据通信机制通过计算机的串行通信实现，PLC和计算机连接便能实现对整个封装系统
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