基于PLC的醫(yī)用塑料支架自動(dòng)裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓以倫，李 梅，邱鵬程，侯 磊，李明波

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，青島 266510）

0 引言

現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，為社會(huì)生產(chǎn)力帶來了巨大的飛躍。然而，由于加工技術(shù)超前于裝配技術(shù)許多年，兩者已經(jīng)形成了明顯的反差，裝配工藝已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展使傳統(tǒng)的手工裝配工藝面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。裝配是一項(xiàng)復(fù)雜的生產(chǎn)過程，人工操作在裝配中作為一個(gè)生產(chǎn)元素出現(xiàn)，既不能保證工作的一致性和穩(wěn)定性，又不具備判斷準(zhǔn)確、靈巧的特性，因此已經(jīng)不能與當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件相適應(yīng)。裝配自動(dòng)化在于提高生產(chǎn)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是減輕或取代特殊條件下的人工裝配勞動(dòng)。

該自動(dòng)裝配系統(tǒng)受某醫(yī)療器械公司委托設(shè)計(jì)，用于某型號醫(yī)用塑料支架的自動(dòng)裝配，由于裝配的零部件體積較小，所以采用自動(dòng)裝配系統(tǒng)既安全、可靠、高效，又可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 機(jī)械系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

塑料支架由上支架、塑料釘和下支架組成，各零部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝配時(shí)，先將塑料釘按要求方向放入放釘槽，放釘結(jié)束后再安放上支架，下支架上的熔柱體插入柱孔，最后熔柱，裝配完成。

醫(yī)用塑料支架自動(dòng)裝配系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)推送下支架沿導(dǎo)軌進(jìn)給，到達(dá)指定位置后，機(jī)械手抓取整列好的塑料釘放入下支架放釘槽，放釘結(jié)束后檢測塑料釘安放是否合格，若放釘不良則被推出導(dǎo)軌，若放釘工作準(zhǔn)確完整則進(jìn)入下一個(gè)位置，機(jī)械手抓取上支架安放，安放上支架結(jié)束后進(jìn)入下一個(gè)位置，檢測上支架安放是否合格，若安放不合格，則該位置氣缸啟動(dòng)，將其推離導(dǎo)軌，若安放合格，則進(jìn)入下一個(gè)位置進(jìn)行熔柱，熔柱完成則進(jìn)入良品箱，裝配完成。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

結(jié)合各零件結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)整體圖對該裝配系統(tǒng)工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹：

圖2 自動(dòng)裝配系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1）準(zhǔn)備工作。打開開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)和各氣缸原點(diǎn)復(fù)位到起始點(diǎn)，整列軌道各限位位置傳感器接通，整列軌道末端震動(dòng)盤（圖中未畫出）開始震動(dòng)，下支架、塑料釘和上支架分別整列并到達(dá)限位位置。

2）下支架進(jìn)給。位于導(dǎo)軌側(cè)面的光纖傳感器感應(yīng)到下支架后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)推板推送下支架沿導(dǎo)軌往前進(jìn)給，第一次進(jìn)給68mm，使第一個(gè)下支架到達(dá)安放塑料釘?shù)闹付ㄎ恢茫?號放釘槽中心與氣爪1抓取的塑料釘中心在一條直線上）后，步進(jìn)電機(jī)復(fù)位至原始位置；第二次進(jìn)給34mm，進(jìn)給下支架到位后步進(jìn)電機(jī)同樣也要復(fù)位至原始位置；從第三次開始有規(guī)律，進(jìn)給距離為兩短一長（第三次、第四次分別進(jìn)給5.5mm，進(jìn)給結(jié)束步進(jìn)電機(jī)不復(fù)位；第五次進(jìn)給23mm，進(jìn)給結(jié)束步進(jìn)電機(jī)復(fù)位），以此循環(huán)。推板有前端面和側(cè)端面，側(cè)端面與導(dǎo)軌平行，起限位作用，防止下支架在推板往前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)軌導(dǎo)致推板無法退回初始位置。

3）安放塑料釘。安放塑料釘?shù)墓ぷ饔蓹C(jī)械手來完成，塑料釘整列軌道端部的傳感器（圖中未標(biāo)出）感應(yīng)到塑料釘整列至限位位置后，塑料釘搬運(yùn)氣缸啟動(dòng)，機(jī)械手抓取塑料釘并運(yùn)動(dòng)到指定位置，步進(jìn)電機(jī)第二次進(jìn)給結(jié)束后，控制機(jī)械手升降的氣缸啟動(dòng)，機(jī)械手下降至限位位置后氣爪松開，塑料釘落入放釘槽，為了節(jié)約安放塑料釘?shù)臅r(shí)間，機(jī)械手上固定兩個(gè)氣爪，氣爪前端加裝夾爪，兩個(gè)夾爪之間的距離為三個(gè)放釘槽的寬度，機(jī)械手一次抓取兩個(gè)塑料釘，每個(gè)下支架有六個(gè)放釘槽，分三次安放，安放順序?yàn)?、4號，2、5號，3、6號。

4）檢測塑料釘放置情況。利用光纖傳感器檢測塑料釘是否安放合格，光纖傳感器位于導(dǎo)軌側(cè)面，與安放塑料釘?shù)男问揭粯樱瑑蓚€(gè)傳感器平行放置，同時(shí)工作，分三次進(jìn)行檢測，檢測順序與塑料釘?shù)陌卜彭樞蛞恢拢竭M(jìn)電機(jī)走完第四步后，第一個(gè)下支架安放塑料釘完成，步進(jìn)電機(jī)走第五步后，第二個(gè)下支架開始安放塑料釘，第一個(gè)下支架進(jìn)入檢測位置開始檢測，若有塑料釘安放不合格的情況，位于該位置的氣缸啟動(dòng)，將其推離導(dǎo)軌進(jìn)入不良品箱，若放釘合格，則進(jìn)入下一個(gè)位置安放上支架。

5）安放上支架。該位置光纖傳感器檢測到下支架到達(dá)指定位置后，上支架搬運(yùn)氣缸啟動(dòng)，機(jī)械手下降至限位位置后氣爪3松開，上支架落入下支架，上支架安放完成，進(jìn)入下一個(gè)位置進(jìn)行檢測。

6）檢測上支架放置情況。該位置光纖傳感器檢測到裝配件到達(dá)位置后，采用光電傳感器檢測有無上支架，若無，則該位置氣缸啟動(dòng)將其推離導(dǎo)軌進(jìn)入不良品箱，若有，則進(jìn)入下一個(gè)位置進(jìn)行熔柱。

7）熔柱。裝配件進(jìn)入該位置后，該位置氣缸啟動(dòng)，控制熔柱觸頭下降，和熔柱觸頭一起下降的還有兩邊側(cè)板，側(cè)板最低點(diǎn)超出熔柱觸頭一定距離，下降的時(shí)候兩邊側(cè)板先接觸上支架，將上支架下壓，使下支架上的熔柱體進(jìn)入柱孔，上支架完全扣緊在下支架內(nèi)，氣缸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，熔柱觸頭接觸熔柱體，邊熔柱邊下降，運(yùn)動(dòng)到限位位置（完全熔柱）后（1-2秒），熔柱完成，氣缸復(fù)位到初始位置。

2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)

本裝配系統(tǒng)氣壓傳動(dòng)就是利用氣缸完成機(jī)械手的前進(jìn)、后退，氣爪的夾緊、松開，下放塑料釘和上支架以及熔柱觸頭的下降，執(zhí)行元件種類少，原理簡單，但是氣缸的數(shù)量比較多，難在控制各個(gè)氣缸的聯(lián)動(dòng)。這里以安放塑料釘?shù)臍鈮夯芈窞槔o出氣壓原理圖，如圖3所示。

圖3 安放塑料釘氣壓傳動(dòng)原理圖

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝配系統(tǒng)采用PLC控制，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本裝配系統(tǒng)的核心部分。本裝配系統(tǒng)執(zhí)行元件有步進(jìn)電機(jī)和氣缸，需要采集的反饋信號比較多，包括光電傳感器、光纖傳感器、溫控器等，此外該自動(dòng)裝配系統(tǒng)還配有觸摸屏。

3.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 PLC選型

1）輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

根據(jù)被控對象統(tǒng)計(jì)的輸入點(diǎn)34為個(gè)，輸出點(diǎn)16為個(gè)，考慮10%—20%的可擴(kuò)展余量后對輸入輸出點(diǎn)數(shù)圓整，確定為輸入輸出各40點(diǎn)。

2）存儲(chǔ)器容量估算

數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10—15倍，加上模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量，確定內(nèi)置RAM存儲(chǔ)器（8000步）。

3）機(jī)型的選擇

PLC的類型選擇整體型，電源選用220VAC電源，存儲(chǔ)器為8K存儲(chǔ)器，I/O總點(diǎn)數(shù)為80點(diǎn)，由于驅(qū)動(dòng)的負(fù)載中有步進(jìn)電機(jī)，因此選用晶體管輸出型，最后考慮系統(tǒng)以后的通用性選用三菱FX2N-80MT-001（NPN）。

根據(jù)控制要求結(jié)合裝配工藝流程編制I/O點(diǎn)分配如表1所示。

表1 I/O點(diǎn)分配表

4 結(jié)論

本文主要介紹了某醫(yī)用塑料支架的裝配工藝流程，采用PLC控制技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸等執(zhí)行元件完成自動(dòng)裝配工作。多傳感器信息融合技術(shù)可以提高對機(jī)械手位移控制的跟蹤能力，實(shí)現(xiàn)對位置的準(zhǔn)確定位，從而提高系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)雖然是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但其設(shè)計(jì)思路值得推廣，可以應(yīng)用到其他行業(yè)產(chǎn)品的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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