多工位轉盤式鈑金自動攻絲機的設計

馬 超 馬建華

(①鄭州大學信息工程學院，河南 鄭州 450001;②洛陽機車技師學院，河南 洛陽 471002)

1 總述

鈑金沖壓件具有輕薄、均勻、強度高以及精度高、加工成本低、規格一致的特點，廣泛地應用于生產生活中的各個領域。對鈑金沖壓件的裝配，較多地采用在沖壓件上沖孔并攻絲的螺絲孔連接方式。目前較先進的螺絲孔成型工藝是模內攻絲。但模內攻絲對模具維護的要求很高，出現問題現場作業人員難以及時發現，從而導致不良品流出。因此，用傳統的攻絲機完成螺絲孔的加工仍然是當前業內普遍采用的方式。單臺手動攻絲作業需要運料、攻絲加工、螺紋檢查等多名人員配合，工人勞動強度大且效率低下，還極容易出現工傷和不良品流出等情況。本文設計一種轉盤式自動攻絲機，此設備具以下特點:(1)突破性地采用振動盤自動上料，實踐證明振動盤并不會造成工件表面劃傷;(2)上料機械手創新設計為雙排上料，使設備吞吐量提高一倍;(3)把整機劃分成不同的功能模塊，對每個功能模塊分別采用一塊單片機模塊控制，并定義好各個模塊之間的信號接口，方便系統升級維護，提高系統可靠性;(4)配備完善的故障監測系統，能及時發現絲錐斷裂等異常情況，并報警，防止造成更大的損失。

2 結構組成及工作過程

設備結構示意圖如圖1 所示:設備由機身，振動盤上料機構、上料機械手、工件轉盤、攻絲機頭、下料機械手、下料傳送帶和電氣檢測控制部分組成。工作過程如下:將待攻絲加工的鈑金沖壓件倒入振動盤中→振動盤將工件送上直線振動器→直線振動器將工件送達上料平臺→上料機械手在上料平臺取工件并把工件放到轉盤上→轉盤轉動使未攻絲工件對準攻絲機頭，已攻絲工件對準下料機械手→攻絲機頭對未攻絲工件進行攻絲，同時下料機械手取走已經攻絲過的工件放到傳送帶輸出。

圖1 設備結構示意圖

2.1 上料機構設計

為了提高工作效率，本設計采用一臺順時針供料振動盤和一臺逆時針供料振動盤雙料道供給工件，見圖2。由于本機加工的鈑金沖壓件容易被磁化，上、下料機械手抓取部分不宜采用電磁鐵吸拿工件。本設計采用真空吸盤，一次可以同時吸拿兩路料道的工件。用兩臺攻絲機頭分別配合多軸頭同時完成兩片工件兩道工序的加工(圖3)，使單臺設備一次加工的吞吐量相當于手動攻絲的4 倍。

圖2 雙料道上料

圖3 兩臺車軸頭同時攻絲加工

2.2 工件轉盤設計

業內工件轉盤的傳動機構常采用凸輪分割器或者氣動分度盤。凸輪分割器雖然具有分度精度高、傳遞扭矩大、定位時自鎖等優點，但由于其傳動電動機一直處于旋轉狀態。如果調整電動機轉速，對上、下料機械手還需要進行相應的調整以配合轉盤的速度。調節轉盤速度時一般都設置有等待時間的余量以等待加工動作的全部完成，造成加工速度因此受到影響，控制系統的設計和調試也因此較為復雜。氣動分度盤雖然控制簡單、日常維護較少，但精度較低、制作成本比較高。故本文提出一種利用廉價的步進電動機帶動轉盤旋轉，配合多個接近開關防止出現失步等造成的累計誤差，從而實現精確定位。實踐表明，本方法不僅降低了控制系統的設計難度和整機的調試難度，而且由于沒有了凸輪分割器的等待時間，速度可以和氣動分度盤一樣快。

3 控制系統設計

本設備的控制沒有采用單一的PLC 或者單片機對整體進行控制，而是采用板卡式設計，將控制系統分成:(1)振動送料器及上料平臺控制電路板;(2)上料機械手控制電路板;(3)工件轉盤和攻絲機頭控制電路板;(4)下料機械手控制電路板;(5)設備監測電路板，一共五大部分，對每部分分別用一片51 系列單片機控制模塊來控制，將各個模塊組成一套控制系統(如圖4)并定義好電路模塊的接口信號(圖5)，所有控制電路都并行插接在該接口總線上。這種模塊化設計的好處是，每個控制模塊分工明確，使系統的維護、故障的排除和升級十分方便。筆者曾按照客戶要求對設備升級換代，將上料部分由氣缸式上料機械手改為步進電動機式上料機械手，控制部分只需制作控制步進電動機式上料機械手的控制電路板并換下原來氣缸式上料機械手的控制電路板，由于接口信號協議一致，對控制系統其他部分不需要做任何修改，真正做到了即插即用。

圖4 控制系統

圖5 接口信號

3.1 振動送料器及上料平臺控制模塊設計

由于待加工的工件為鈑金沖壓件，利用振動盤時，如果振動盤不加控制一直振動，往往容易將工件表面劃傷，所以應盡量縮短振動盤的振動時間。采用的控制策略就是:當上料平臺滿料，振動盤和直線送料器暫停振動，具體控制流程如圖6 所示。

3.2 上下料機械手控制模塊設計

上下料機械手由于采用真空吸盤吸拿工件，有時會吸拿失敗，所以在上下料機械手部位安裝工件傳感器，當發現吸拿失敗后，重新吸拿，當吸拿3 次都沒有拿到工件，則把異常信號通過9 和10 號端口發給設備監測系統電路，上料手具體控制流程圖如圖7 所示。下料機械手的控制過程和上料機械手類似，在此不再贅述。

3.3 工件轉盤和攻絲機頭控制模塊設計

圖6 上料控制流程圖

圖7 上料手控制流程圖

由于工件轉盤采用步進電動機帶動，所以該模塊要包含脈沖發生電路，將所發生的脈沖傳送到步進電動機驅動器，轉盤設計為8 個靜止位，這樣每次步進電動機帶動轉盤轉動45°，為防止步進電動機失步，每個靜止位安裝有接近開關以防止累積誤差。設計控制流程圖如圖8 所示。

3.4 設備監測系統模塊設計

圖8 轉盤及攻絲頭控制流程圖

把設備監測電路設計成一塊母板，預留共同的接口信號，把上述電路板設計成子板，插接到母板上，實現即插即用。監測電路對系統中振動盤、攻絲機、絲錐、上下料機械手和傳送帶的狀況進行監控，當上述部件有異常，監測電路用查詢的方式，循環查詢9 到14 端口的信號，當讀取到異常，立刻和各個模塊電路通信，暫停整機運轉并報警，直到重啟或復位設備。另外，該監測電路還包含實時時鐘芯片和存儲器，能夠將設備故障的時間和原因以日志的形式記錄，以供需要時通過串行輸出口調閱。電路構成如圖9 所示。

圖9 監測系統

4 結語

多工位轉盤式鈑金自動攻絲機投產前，由于手工一次只能加工1 件工件，達到與本設計相同加工吞吐量共要4 臺攻絲機，計4 名加工人員，加上螺紋檢查人員4名，和工件搬運人員1 一名，共需要9 人。投產后，相同任務只需要1 名作業員完成，且勞動強度大幅度降低。由于本設備采用模塊化的控制電路，出現故障時，只需檢查相應模塊，故障查找十分方便，對本設備的維護和升級也變得十分容易。

［1］萬福君.MCS-51 單片機原理、系統設計與應用［M］.清華大學出版社，2008.