起動機單向器自動裝配設備氣動和控制系統(tǒng)設計

（河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018）

0 引言

起動機單向器是起動設備的重要部件，其功能是在起動過程當中可靠地傳遞起動機扭矩給發(fā)動機的曲軸，發(fā)動機被發(fā)動后借助單向器的單向作用保護起動機電樞，防止其因高速而損壞。起動機單向器由多個零件組裝而成，各零件體積小，不易抓取和定位，目前，生產企業(yè)多采用人工裝配，效率低下，出錯率高。研發(fā)的單向器自動裝配設備能實現(xiàn)各零件的自動裝配，本文著重介紹其氣動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計過程。

1 設備主體結構和工作原理

如圖1所示，起動機單向器共由5種零件組裝而成，分別是星輪、滾柱、彈簧、墊片和套筒，每個星輪有3個凹槽，每個凹槽內裝有一組彈簧和滾柱，星輪內孔裝有套筒和墊片。裝配時，先將壓縮后的彈簧滾柱分別壓入星輪的3個凹槽內，再將套筒插入墊片內孔組裝，再作為一個部件整體一起插入星輪內孔，完成組裝。

考慮到各零件體積小，質量輕，外形簡單，設計中采用電磁振動上料方式將各零件篩選后順序輸送到裝配工位，選擇氣缸作為裝配動作的主要執(zhí)行元件[1]。為提高裝配效率，減少設備空間占用，各工位采用環(huán)形布局，其主體主要由振動上料盤、旋轉主盤、星輪抓取工位、彈簧滾柱裝配工位、墊片套筒裝配工位和機架等組成，如圖2所示。

圖1 單向器的構成及裝配順序

1）振動上料盤

各零件均采用電磁振動盤上料，配合直線料道，可以將各零件快速順序輸送到裝配工位，在直線料道上裝有光電開關，用于檢測是否料滿，從而控制振動盤的啟停。

圖2 單向器自動裝配設備樣機

2）旋轉主盤

旋轉主盤是各裝配工位的操作平臺，上面均勻分布有8個裝配模座。由異步電機通過凸輪分割器驅動主盤旋轉，配合光電開關，電機每轉一圈會自動停止一次，主盤正好旋轉45°，等各工位完成裝配后，電機重新啟動，進行下一次旋轉。通過一臺變頻器來控制異步電機轉速，從而調節(jié)設備整體工作節(jié)奏，最大程度提高組裝效率。

3）星輪抓取工位

該工位主要由星輪夾持氣爪、星輪上下氣缸、星輪左右氣缸、星輪壓料氣缸及附屬機構組成。可以將星輪從直線料道上抓取并移送至旋轉主盤的裝配模座中。

4）彈簧滾柱裝配工位

該工位主要由彈簧送料氣缸、彈簧滾柱上料氣缸、彈簧滾柱壓料氣缸、步進電機及附屬機構組成。由于彈簧的彈性系數較低，采用氣爪或吸盤抓取容易變形，造成定位和組裝困難，因此，在氣缸運動機構端部安裝一塊強力磁鐵來吸引彈簧，并利用磁力線方向定位彈簧。由于星輪上有三個凹槽，需要分別安裝三組彈簧和滾珠，采用一臺步進電機對星輪進行120°分度。上述執(zhí)行元件相互配合，可將彈簧滾柱裝配到星輪對應的凹槽中。

5）墊片套筒裝配工位

該工位主要由套筒撥料氣缸、套筒左右氣缸、墊片上下氣缸、墊片左右氣缸、壓料電磁鐵及附屬機構組成。各氣缸相互配合將套筒和墊片組裝在一起后，由壓料電磁鐵將組件吸起并壓入星輪內孔中完成組裝，再由成品落料氣缸送入儲料箱中。

2 氣動系統(tǒng)設計

在整個設備中，大部分工藝動作采用氣動元件實現(xiàn)，包括星輪抓取、滾柱彈簧裝配和墊片套筒裝配等。考慮成本、行程、負載和安裝方式等因素，選取表1所示的各氣動元件型號。其中，各零件的上下或前后動作選用了雙軸氣缸，左右動作選用了滑臺氣缸，抓取動作選用了氣動手爪。系統(tǒng)氣動原理圖如圖3所示。

表1 氣缸型號表

圖3 氣動系統(tǒng)原理圖

在該氣動系統(tǒng)中，執(zhí)行元件為11個氣缸和1個氣爪。對于有動作聯(lián)鎖關系回路，采用雙電控換向閥換向，防止產生機械干涉，其他回路均采用單電控換向閥換向。由于各氣動執(zhí)行元件要按照一定邏輯關系順序動作，因此在每個氣缸兩端裝有磁性開關，便于PLC邏輯控制。氣缸的運動速度通過節(jié)流調速閥調節(jié)，保證系統(tǒng)能快速穩(wěn)定運行。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制要求

1）控制系統(tǒng)應按照一定的邏輯關系，控制各執(zhí)行元件準確完成各工藝動作；

2）應具有兩種控制模式,自動模式用于單向器的整體裝配、連續(xù)生產，手動模式用于調試、檢查維修等工作；

3）應有友好的人機界面，能顯示各執(zhí)行元件狀態(tài)及設定必要的數據信息；

4）為保證設備的流暢性和智能性，在容易出現(xiàn)卡料和漏料的地方，應安裝必要的傳感器，出現(xiàn)問題及時提示或報警。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設計

3.2.1 PLC選型

根據設備工作原理，需控制的執(zhí)行元件主要有氣缸、步進電機、交流異步電機、電磁鐵和電磁振動盤。其中，電磁振動盤屬于定制部件，隨機帶有控制器和光電開關，經簡單設置參數后即可自動控制振動盤的啟停，并能通過調節(jié)振幅控制送料速度。對設備其余工位，設計了以西門子S7-200 Smart PLC和工業(yè)觸摸屏為核心的控制系統(tǒng)[2]。

根據被控對象的種類和數量，確定PLC所需輸入端口為31個，輸出端口為26個。考慮到被控對象中有1臺步進電機，故選用具有高速脈沖輸出功能的CPU ST40和EM DT32擴展模塊。選擇西門子Smart 1000IE觸摸屏作為主要人機界面，該觸摸屏支持RJ45接口和TCP/IP協(xié)議，可直接用網線與PLC連接，非常方便。控制系統(tǒng)硬件結構圖如圖4所示。

圖4 硬件結構圖

3.2.2 傳感器選型

設備中的傳感器主要用來檢測動作是否到位和各工位是否有料，選用的各傳感器如表2所示。其中氣缸到位檢測選用配套的磁性開關，體積小巧，便于安裝接線。星輪、滾柱、套筒和墊片的有料檢測采用對射式光電開關。彈簧的檢測是個難點，由于彈簧整體長度為5mm，彈簧絲直徑僅0.3mm，用普通光電開關、電感或電容式接近開關均不能有效檢測，若采用分辨率較高的光纖傳感器，則只有在彈簧位于特定位置時才能檢測到，這對彈簧機械定位要求過高。為增加彈簧的有效檢測范圍，經反復試驗，采取了光纖傳感器動態(tài)測量的方式，即當彈簧由氣缸驅動在工位間往復運動時進行檢測，可有效檢測出彈簧的有無。

表2 傳感器選型表

3.2.3 PLC和步進電機驅動器的聯(lián)接

所選擇的PLC的 CPU-ST40 主機模塊集成有三個高速脈沖輸出點[3]，最多控制3臺步進電機，本系統(tǒng)中只有一臺步進電機，根據PLC編程軟件中的“運動控制向導”組態(tài)分配，確定Q0.0輸出脈沖信號，Q0.2輸出方向信號，Q0.4輸出使能信號。

根據機構的運動速度和轉矩，計算選擇山社SS9093A05B型步進電機，其配套驅動器為山社MD-2522型驅動器。該驅動器有2個光電隔離高速輸入口STEP和DIR，可接受5-24VDC單端或差分信號，信號下降沿有效。由于西門子PLC的輸出端口采用共陽接法，因此，在驅動器端采用共陰接法，如圖5所示。

圖5 步進電機控制接線圖

3.3 控制系統(tǒng)的軟件設計

3.3.1 PLC程序設計

PLC程序利用西門子STEP7-MicroWIN SMART V2.1軟件編寫，采用模塊式結構，將初始化、手動運行、自動運行和故障處理分別編寫成子程序，在主程序中按條件調用。自動運行時，在完成整體動作的基礎上，使各工位在動作互不干涉的情況下盡可能多的并行工作，以提高設備整體運行速度；在定位精度要求較高的關鍵位置，適當增加延時控制，并與氣動節(jié)流調速閥配合，保障設備運行平穩(wěn)可靠。

為使設備具有較好的操控性和智能性，在故障處理模塊中，對各個位置上的傳感器和相應動作關系進行判斷，隨時給出提示或報警信息，并在報警時自動暫停，保持設備現(xiàn)有狀態(tài)，待故障排除后繼續(xù)運行，以減少廢品率。

步進電機的控制子程序可利用編程軟件自帶的“運動控制向導”工具生成，該向導工具可分配PLC控制端口，設置電機運行的速度、加速度和工程單位脈沖數等，如圖6所示。生成的運動控制子程序可根據條件在主程序中調用，圖7所示為步進電機手動控制程序和位置控制程序。

圖6 運動控制向導

圖7 步進電機控制程序

3.3.2 人機界面設計

觸摸屏界面采用西門子WinCC flexible SMART V3組態(tài)軟件開發(fā)，主要顯示各執(zhí)行元件和傳感器的當前狀態(tài)信息，以及進行必要的手自動操作，圖8為觸摸屏手動和自動操作界面。

圖8 觸摸屏界面

4 結束語

根據前述設計方案開發(fā)的設備樣機，經反復調整優(yōu)化，已經可以順利完成全部工藝過程，運行平穩(wěn)可靠，目前組裝效率約為3套/分鐘。后期擬通過優(yōu)化控制策略，盡可能使各工位并行工作，同時適當提高氣缸運動速度，縮短運動時間，進一步提高組裝效率。