基于PLC的桌面型全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃羨烘 黃永程 楊斌

摘 要：本文從機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、報(bào)警系統(tǒng)、通信等方面，對(duì)桌面型全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)自主開發(fā)的自動(dòng)鎖螺絲設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于可編程控制器（PLC）的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了視覺(jué)定位、伺服驅(qū)動(dòng)和可編程等技術(shù)。該設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)方便、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單，解決了自動(dòng)化程度低的可題，節(jié)約了時(shí)間和勞動(dòng)力，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：PLC；桌面型全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)；控制系統(tǒng)；可編程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.004

1 前言

自動(dòng)鎖螺絲機(jī)也叫自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)、自動(dòng)擰螺絲機(jī)、自動(dòng)螺絲機(jī)、自動(dòng)打螺絲機(jī)、自動(dòng)螺絲緊固系統(tǒng)等。目前現(xiàn)有的手持式自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)，雖然可以解放一只手出來(lái)，但仍然需一只手提起起子對(duì)準(zhǔn)螺絲孔位鎖螺絲，人工對(duì)準(zhǔn)孔需要很豐富的經(jīng)驗(yàn)，也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；全自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)，雖然在手持式自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)自動(dòng)送料基礎(chǔ)上又添加了機(jī)械臂或流水線、工作臺(tái)、自動(dòng)控制定位等功能，是送鎖螺絲機(jī)的TOP產(chǎn)品，但是它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比較高。所以，在制造成本和可編程方向有很大發(fā)展空間。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在原有的全自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，使用可編程控制器（PLC）來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)擰緊螺絲，節(jié)約人工成本又提高了生產(chǎn)效率。

2 全桌面型自動(dòng)鎖螺機(jī)概述

自動(dòng)鎖螺絲機(jī)在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，分為手握式、平臺(tái)走程序式、直鎖式、拔叉式、轉(zhuǎn)盤循環(huán)式等結(jié)構(gòu)。目前在不少企業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊，主要應(yīng)用于汽車零部件生產(chǎn)、電腦、顯示屏、電機(jī)、燈具、手機(jī)、打印機(jī)、電路板、電池、儀表等的自動(dòng)組裝，可以大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高可靠性。

桌面型自動(dòng)鎖螺絲機(jī)有以下一些優(yōu)缺點(diǎn)：由于其單人即可高效操作，一人相當(dāng)于多人的效率，所以節(jié)省成本；其可靠性很好，一天可工作20小時(shí)以上；對(duì)于鎖同樣螺絲的產(chǎn)品，只需更換旋具，可鎖不同產(chǎn)品，通過(guò)簡(jiǎn)單編程，通用性高；采用高精密度軌道設(shè)計(jì)，由機(jī)器作業(yè)，杜絕了人為因素帶來(lái)的不良影響，有著良好的穩(wěn)定性；具有漏鎖/浮鎖滑牙檢測(cè)功能，客戶可以選配；只要螺絲在規(guī)定的范圍內(nèi)可以通用；靈活性強(qiáng)，對(duì)于更換不同的產(chǎn)品，只需更換夾具和調(diào)用相對(duì)應(yīng)程序組即可[1]。然而由于其自動(dòng)化程度較高，同時(shí)也帶來(lái)了如扭力不當(dāng)造成起子頭磨損、滑牙，軌道卡料、螺絲漏送或者一次送料過(guò)多的等問(wèn)題。因此，螺絲機(jī)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)要著重解決這些實(shí)際問(wèn)題。

桌面型可編程全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)，能完全解決了上述問(wèn)題外，還解決了產(chǎn)品螺絲孔位高低不同沒(méi)法同時(shí)鎖螺絲的問(wèn)題，批咀不會(huì)直接碰到產(chǎn)品表面，不會(huì)刮花產(chǎn)品。完全顛覆了傳統(tǒng)自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的工作原理以及解決了只能打同一個(gè)平面螺絲的問(wèn)題，拋棄了振動(dòng)盤及推料器，發(fā)揚(yáng)了傳統(tǒng)自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并克服了所有缺點(diǎn)，使得自動(dòng)鎖螺絲機(jī)更輕便、安全、穩(wěn)定、快捷、低噪音、低能耗。

3 硬件設(shè)計(jì)

桌面型自動(dòng)送鎖螺絲機(jī)在進(jìn)行擰螺絲前需要將螺栓分離開來(lái)并輸送到指定位置，因此要先設(shè)計(jì)分料機(jī)構(gòu)和下料機(jī)構(gòu)。根據(jù)工藝要求，需要電動(dòng)螺絲刀上下移動(dòng)調(diào)節(jié)距離，以方便更換工件和調(diào)節(jié)不同工件間的誤差，因此需要一個(gè)氣缸來(lái)控制電動(dòng)螺絲刀的上下移動(dòng)。為了提高生產(chǎn)效率，需要夾具來(lái)給工件定位。為了降低返修率可以在螺栓傳動(dòng)管間加傳感器來(lái)檢查是否有螺栓通過(guò)，如果有則可以進(jìn)行下一步工作，如果沒(méi)有就需要將信號(hào)傳送給PLC，PLC通過(guò)分析計(jì)算給分料機(jī)構(gòu)和下料機(jī)構(gòu)的氣缸下達(dá)命令重新輸送螺栓。因此為了實(shí)現(xiàn)可編程全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的自動(dòng)功能，就必須有PLC、電控箱、控制器和控制面板。將分料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、PLC、控制面板和電動(dòng)螺絲刀放在機(jī)架之上，把電控箱和控制裝置放在機(jī)架內(nèi)部，將整體機(jī)器立起來(lái)放，這樣既節(jié)省了空間又使得整個(gè)機(jī)器顯得緊湊、美觀。桌面型可編程全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)整機(jī)示意如下圖1所示。

桌面型可編程全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)需要外接氣管，通過(guò)送料系統(tǒng)、分配系統(tǒng)、鎖付系統(tǒng)、三軸平臺(tái)可編程系統(tǒng)四部分完成螺絲鎖付。所有動(dòng)作完成均由設(shè)備本身程序控制。各系統(tǒng)部件均需要按照實(shí)際螺絲規(guī)格、待鎖付位置的角度和尺寸等實(shí)際情況定制，均為非標(biāo)準(zhǔn)化部件。鎖螺絲過(guò)程采用渦輪方式上料將螺絲排序到振動(dòng)導(dǎo)軌上，并輸送到螺絲分配系統(tǒng)，通過(guò)分配系統(tǒng)分配螺絲并通過(guò)氣管壓力將螺絲送到鎖嘴，由電動(dòng)螺絲批將螺絲鎖入產(chǎn)品。

桌面型可編程全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)鎖步驟：

本自動(dòng)鎖螺絲機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC、CCD圖像傳感器定位[2]、1個(gè)伺服、4個(gè)氣缸等組成。其硬件組成，如圖2所示。通過(guò)分析自動(dòng)鎖螺絲機(jī)的工藝流程，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)控制信號(hào)的數(shù)量，選擇三菱系列FX2N型模塊，采用1個(gè)PLC作為控制主機(jī)，有2個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)，通過(guò)輸出高速脈沖對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制可以控制四個(gè)伺服，脈沖的頻率、沖數(shù)及加減速時(shí)間可以改變伺服電機(jī)的速度和位置。PLC與伺服之間通過(guò)RS485連接，進(jìn)行MODBUS通信配置[3]，可快速讀寫伺服的通信數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由PLC程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)兩部分組成[4]。本文以在工作面板上四角各打一個(gè)螺絲進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)為例。

PLC程序設(shè)計(jì)：PLC程序設(shè)計(jì)是核心，系統(tǒng)PLC程序由一個(gè)主程序和1個(gè)子程序組成。子程序是四個(gè)自動(dòng)鎖螺絲定位控制程序。主程序是核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和CCD數(shù)據(jù)采集，負(fù)責(zé)系統(tǒng)子程序調(diào)用，負(fù)責(zé)與H1M的數(shù)據(jù)交換。

主程序：

PLC的I/O表如下表1所示。

本設(shè)計(jì)完全取代一個(gè)或多個(gè)員工工作，只需一個(gè)按鍵，機(jī)器按照事先編輯好的程序自動(dòng)鎖完待鎖產(chǎn)品上同種規(guī)格的螺絲。員工只需要把裝配好的產(chǎn)品放上置具按下起動(dòng)鍵就即可，而且定位精準(zhǔn)，誤差±0.02mm。操作簡(jiǎn)單，程序帶示教系統(tǒng)，編程時(shí)，只需要帶著機(jī)器把幾個(gè)螺絲孔的位置確定好，桌面型可編程自動(dòng)鎖螺絲機(jī)可以自動(dòng)學(xué)習(xí)記錄鎖螺絲過(guò)程，自動(dòng)完成鎖螺絲的所有動(dòng)作。從取料到螺絲鎖緊、產(chǎn)品輸出，全程不需要人工干預(yù)。不會(huì)因?yàn)槭秩÷萁z時(shí)產(chǎn)生的污跡對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生二次污染及手出汗沾污螺絲使它更易生銹。設(shè)備有多重報(bào)警和防呆功能，避免螺絲漏鎖造成的產(chǎn)品不良，比人工鎖螺絲更加嚴(yán)謹(jǐn)，縝密。避免了人工著力輕重不一的現(xiàn)實(shí)，機(jī)器會(huì)按設(shè)定好的扭矩和和下壓力進(jìn)行鎖付螺絲操作，產(chǎn)品一致性好。通用性強(qiáng)，對(duì)螺絲長(zhǎng)短沒(méi)特殊要求，只要螺帽接近或略小就可以通用，如果螺絲差距太大，只需要更換批嘴和相應(yīng)的供料系統(tǒng)就可以，大大提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備已成功用于實(shí)際生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行觀察，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖螺絲控制系統(tǒng)的開發(fā)，能夠滿足桌面型全自動(dòng)鎖螺絲機(jī)構(gòu)和功能的要求，同時(shí)具有操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，精度高，通用性強(qiáng)，對(duì)工人低要求，低成本等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)生了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王士紳，隋修寶，陳錢，顧國(guó)華.高速高清CCD自適應(yīng)相關(guān)雙采樣技術(shù)[J].紅外與激光工程，2014，1（34）：155-159.

[3]胡文翔，蔡政，郭偉瑋等.面向RS485控制網(wǎng)絡(luò)的 Modbus協(xié)議擴(kuò)展及應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2013：4（34）：59-62.

[4]廖常初.PLC編程及應(yīng)用（第二版）S7-200[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：覃羨烘（1983-），女，廣西平南人，工程碩士，講師，數(shù)控銑工高級(jí)技師，研究方向：機(jī)械工程。