基于PLC和氣動技術(shù)的軸組件裝配控制系統(tǒng)設(shè)計

吳衛(wèi)榮，丁慎平，王應(yīng)海

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，江蘇 蘇州 215123)

軸組件的裝配目前大多由人工完成，裝配質(zhì)量往往得不到保證，同型號、同批次的軸組件質(zhì)檢時達(dá)不到統(tǒng)一的工藝標(biāo)準(zhǔn)。為保證產(chǎn)品的工藝質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，設(shè)計或研發(fā)自動化設(shè)備是當(dāng)前企業(yè)亟待解決的問題之一[1-3]。因此，研制了一套軸組件(軸體、軸套和軸承)自動裝配系統(tǒng)。利用PLC實現(xiàn)控制，使用觸摸屏實現(xiàn)人機交互，采用氣動機構(gòu)實現(xiàn)裝配和補料，并基于機電伺服控制技術(shù)的機械手實現(xiàn)產(chǎn)品的自動搬運，提高了產(chǎn)品的精度及一致性[4-5]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)由軸體上料機構(gòu)、軸承上料機構(gòu)、軸套上料機構(gòu)、搬運機構(gòu)、產(chǎn)品暫存輸送機構(gòu)、人機交互界面、電氣控制部分及框架組成，如圖1所示。組裝平臺如圖2所示。

1—電氣控制柜；2—軸套上料機構(gòu)；3—軸組件壓裝機構(gòu)；4—軸承上料機構(gòu)；5—電磁閥組；6—軸體上料機構(gòu)；7—人機交互觸摸屏；8—伺服電動機搬運機構(gòu)；9—同步帶；10—同步齒輪傳動軸；11—暫存工位；12—組裝平臺；13—鋁型材框架

1—軸套上料機構(gòu)；2—壓裝機構(gòu)；3—軸承上料機構(gòu)；4—電磁閥組；5—軸檢查傳感器；6—軸上料機構(gòu)；7—暫存治具及產(chǎn)品；8—軸承上料機構(gòu)氣缸；9—軸套上料機構(gòu)氣缸；10—導(dǎo)向機構(gòu)；11—成品輸出氣缸；12—調(diào)速閥

軸體上料機構(gòu)主要由軸槽、軸分料裝置組成。先將多根軸放入軸槽內(nèi)，軸分料裝置(軸分料氣缸)會自動將軸分開，逐次地將軸排列到等待區(qū)(圖3)。

圖3 軸體上料示意圖

軸承上料機構(gòu)主要由彈簧送料的軸承槽和軸承送料機構(gòu)(氣缸)組成。將多套軸承放入軸承槽內(nèi)，軸承槽內(nèi)的彈簧頂住軸承，當(dāng)軸承送料機構(gòu)在原位(空位)時，彈簧自動將軸承補進(jìn)送料機構(gòu)，然后由軸承送料氣缸將軸承送到壓裝工位。

軸套上料機構(gòu)主要由彈簧送料的軸套槽和軸套送料機構(gòu)(氣缸)組成。將多個軸套放入到軸套槽內(nèi)，軸套內(nèi)的彈簧頂住軸套，當(dāng)軸套送料機構(gòu)在原位(空位)時，彈簧自動將軸套補進(jìn)送料機構(gòu)，然后由軸套送料氣缸將軸套送到壓裝工位。

搬運機構(gòu)由左右移動裝置(伺服電動機、同步帶等)、上下升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和夾緊/松開裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。將軸體從軸上料機構(gòu)取出，送至裝配工位，并將裝配好的軸組件運至產(chǎn)品暫存工位(治具)。

1—旋轉(zhuǎn)氣缸；2—傳動軸；3—伺服電動機；4—同步齒輪同步帶；5—上下升降氣缸；6—氣爪夾/松氣缸；7—氣爪

暫存輸送機構(gòu)通過伺服電動機定位控制把裝配好的軸組件存儲在暫存治具上，待暫存治具滿位后，輸送氣缸動作，輸送出所有成品軸。

2 硬件設(shè)計及組態(tài)

2.1 設(shè)備選型

(1)執(zhí)行機構(gòu)。系統(tǒng)選用AIRTAC的各類氣缸和KINCO電動機作為執(zhí)行器。其中，軸體上料機構(gòu)和軸承、軸套送料機構(gòu)以及輸送機構(gòu)各有1個雙作用氣缸；搬運機構(gòu)有1個上下升降雙作用氣缸、1個可旋轉(zhuǎn)180°的雙作用旋轉(zhuǎn)氣缸和2個控制氣爪夾緊和松開的雙作用扁平氣缸；壓裝機構(gòu)有1個扁平(方形活塞桿)雙作用氣缸。同步齒輪選用11個齒，齒間距為5 mm。電動機選用1個KINCO伺服電動機(配伺服驅(qū)動器)。

(2)檢測部分。每個雙作用氣缸均配置了2個磁感應(yīng)傳感器，用于檢測活塞運行是否到位；選用了2個氣壓轉(zhuǎn)換開關(guān)用于測定壓裝軸承和軸套的2種壓力；選用了1個紅外光電漫反射傳感器用于檢測軸體上料機構(gòu)等待區(qū)有無軸體；選用了2個機械式限位開關(guān)(極限保護(hù))保證伺服機構(gòu)安全運行。

(3)控制系統(tǒng)。選用FX2N PLC；為了便于控制和安全起見(防止意外掉電)，每個氣缸均選用了1個二位五通雙控電磁閥和2個單向調(diào)速節(jié)流閥。操作部分配置啟動按鈕(綠燈)、停止按鈕(紅燈)、復(fù)位按鈕(黃燈)，消除報警信號、解除復(fù)位按鈕(黑色)以及用于手動/自動運行方式切換的選擇開關(guān)。

(4)人機界面。從性價比考慮，選用了WeintekMT506MV觸摸屏，畫面編輯軟件使用Easy Builder軟件。

2.2 I/O地址分配及接線

選用FX2N-80MT PLC，分別有40個輸入、輸出口，地址分配及接線如圖5所示。

圖5 FX2N-80MT PLC接口

2.3 氣動系統(tǒng)回路

根據(jù)系統(tǒng)方案及系統(tǒng)運行的初始狀態(tài)(初始位置)，繪制的氣動系統(tǒng)回路如圖6所示。要注意的是：當(dāng)氣動系統(tǒng)接上氣源時，前、后分料氣缸初始處于伸出狀態(tài)，擋住軸體；氣爪夾緊/松開氣缸初始也處于伸出狀態(tài)，氣爪處于打開狀態(tài)。

圖6 氣動系統(tǒng)回路示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序流程設(shè)計

根據(jù)工藝要求，需要設(shè)計自動、手動兩種操作模式，設(shè)計思路如圖7所示。

圖7 程序設(shè)計思路

根據(jù)工作流程的要求，PLC的單周期程序流程如圖8所示。進(jìn)行具體編程設(shè)計時，結(jié)合PLC編程軟件GX-Developer V8.6，采用比較簡潔的SFC編程方式，可便于調(diào)試或運行監(jiān)控。

圖8 單周期程序流程圖

3.2 編程及調(diào)試

根據(jù)PLC編程軟件的特征，需要建立2個塊：塊0作為公共信息，編程語言選用梯形圖(LAD)；塊1作為工藝流程信息，編程語言選用SFC。

在塊0中包含以下內(nèi)容：

(1)PLC上電初始化復(fù)位，主要是對所使用的M，D，Y，C，S等進(jìn)行區(qū)域復(fù)位；

(2)系統(tǒng)運行初始狀態(tài)檢測及人工復(fù)位程序；

(3)自動運行模式中啟動信號的處理；

(4)模式制約信號處理，在手動模式下將自動模式中所使用到的M，S，D，C等復(fù)位，反之亦然；

(5)定時器、計數(shù)器信號處理；

(6)故障信號顯示及復(fù)位，可以使用S900-S999來存儲狀態(tài)，然后通過觸摸屏顯示；

(7)集中輸出處理。

需要注意的是：初始狀態(tài)位S0需要在塊0中設(shè)置，設(shè)置時要考慮PLC上電、手動/自動模式轉(zhuǎn)化等幾種情況；對于輸出信號條件，有手動、自動和復(fù)位3種情況，注意不要出現(xiàn)雙重線圈。

程序編制完成后，下載到PLC中進(jìn)行調(diào)試，同時調(diào)整單向節(jié)流閥優(yōu)化氣缸的運行速度，在觸摸屏上調(diào)整伺服電動機的運行速度值，使機械手運行平穩(wěn)、可靠；另外檢查軸體、軸和軸套裝配的質(zhì)量，調(diào)節(jié)觸摸屏中壓力的值，滿足壓裝精度。

4 結(jié)束語

(1)試驗證明，該系統(tǒng)整體配合良好，運行平穩(wěn)，在滿足控制精度和穩(wěn)定性的情況下能以每2～3 min組裝1個組件的速度運行，提高了效率。

(2)系統(tǒng)引入伺服電動機后，可以進(jìn)行多位置的設(shè)定，定位準(zhǔn)確，最大可以實現(xiàn)8段不同的運行速度。

(3)軸組件裝配系統(tǒng)采用PLC和氣動技術(shù)代替人工裝配方案，系統(tǒng)可控性、靈活性增強，硬件維護(hù)工作量減小，工藝標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，成品合格率有較大提高。

(4)系統(tǒng)采用觸摸屏，優(yōu)化了人機交互，便于數(shù)據(jù)更改和監(jiān)控設(shè)備運行情況。

(5)該系統(tǒng)主要針對中小型軸組件的裝配，對于大型軸組件，只要對壓裝機構(gòu)進(jìn)行改造即可，如選用液壓缸代替氣動缸來進(jìn)行壓裝，加大對軸體、軸承和軸套裝配的壓合力。