基于PLC的減震器壓裝機系統設計

張俊華，黃良偉

（湖北工業大學 機電研究設計院，武漢 430068）

0 引言

在自動化產業中，汽車行業可以說是整個行業的標桿。據2016年西門子公司提出的汽車數字化和自動化評估模型，對國內9家汽車產業進行綜合評估得出整車行業自動化水平平均均值為3.462，即處于工業3.4階段。80%以上的工序在整車生產上已經實現了自動化，但裝配的自動化水平依舊比較很低，雖有各種類型的裝配線，但大部分的裝配作業依舊靠手工完成。減震器壓裝機是完成減震器總成的裝配設備，實現彈簧自動壓縮和軸端螺母自動擰緊。因壓縮彈簧有規定的長度需求，需要動力裝置提供較大的壓力來壓縮彈簧。傳統上的設計多以液壓系統作為動力裝置，能夠提供較大的壓緊力，結合液壓傳動技術，完全能夠實現行程可控[1]。但液壓裝置存在技術要求較高、體積和重量較大、工作時的噪聲較大且精度不易控制等缺點。其次，減震器的軸端螺母多以人工手持氣壓風槍擰緊，工作量較大，作業危險系數高，大大降低了生產效率和安全生產系數。

本著綠色、安全、柔性生產的設計理念，結合成熟的氣壓傳動技術、自動控制技術、自動擰緊技術、檢測技術等手段，該設計在傳統壓裝機系統設計的基礎上進行了改進。以PLC為控制核心，通過邏輯控制指令實現機械動動作和電氣信號的檢測與傳遞，以顯示界面為介質實現人機交互，對減震器壓裝的整個過程進行實時監控和數據反饋，切實解決在傳統生產中存在的問題。

1 系統分析

減震器壓裝系統主要由機械系統、氣動系統、PLC控制系統和檢測系統等部分組成。其設計原理圖如圖1所示。

圖1 設計原理圖

減震器壓裝機的具體系統組成[2]機體、伺服驅動系統、自動擰緊系統、減震器定位機構、減震器彈簧壓緊機構、彈簧定位機構、控制電柜、安全光柵等。為了實際操作方便，并引入了觸摸屏和計算機相結合的操作方式。其系統具體組成如圖2所示。

圖2 壓裝機系統組成

在整個系統組成中，伺服驅動系統為彈簧壓縮提供壓緊力，與彈簧壓緊機構相連；自動擰緊系統（采用扭矩-轉角擰緊方式）為螺母擰緊提供預緊力，擰緊力矩和角度以二進制編碼數據形式輸出；檢測系統的功能是檢測壓緊機構的行程是否到位，自鎖螺母擰緊力矩是否合格，各氣缸是否到位等等，一旦出現異常會立即啟動故障報警。

2 伺服驅動系統設計

伺服驅動系統主要包括伺服電機、減速機、滑軌、滾珠絲桿和滑臺等。減速機將伺服電機的輸出轉矩成比例放大傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠的直線運動帶動壓緊機構下壓彈簧。為滿足高精度壓裝定位控制和系統轉動慣量匹配的必要要求，伺服系統設計采用三菱MR-JE系列AC伺服，通過指令脈沖驅動伺服電機正反轉實現壓緊機構的壓裝和復位動作。MR-JE系列伺服具有以下特點：1）可進行一鍵式調諧，無需電腦即完成伺服調整；2）瞬停耐量增大，減少了瞬停造成的停機損耗；3）配有131072pulses/rev增量編碼器，提高設備高精度化；4）支持指令脈沖和數字量輸入輸出對應漏型和源型兩種配線。

由于彈簧壓縮過程中所需的壓緊力較大，所以硬件設計選用較大功率HG-SN202BJ-S100型號的伺服電機和MR-JE-200A型號的伺服放大器。伺服電機的配線電路圖如圖3所示。

3 控制系統分析

3.1 壓裝機對控制系統的功能要求

為能夠直觀的反映減震器從零部件裝配到總成過程中的動態數據，保障減震器安全高效的生產，壓裝機對控制系統有極高的要求[3]：

1）壓裝機的數據檢測

壓裝機本體及其連帶的輔助設備檢測點及報警參數有：減震器型號、供氣氣壓、夾緊氣缸動作、伺服電機轉速、壓裝起點和止點、彈簧壓緊力、傳動氣缸動作、換型氣缸動作、擰緊力矩等。

2）壓裝機的邏輯控制

減震器壓裝機的邏輯控制分為：啟動、聯鎖、停車、報警四個部分。操作方式分手動、自動模式，手動模式時的啟停不受自動模式啟停的控制。自動模式時，可實現動作連鎖；手動模式下，人工可實現原點至止點的動作操作。壓裝機要自動識別減震器型號，同時自動擰緊系統自動切換至設定力矩值，并且兩個擰緊軸可實現單獨控制。若螺母擰緊結果不合格，則自動進行第二次擰緊，再不合格則異常報警，并保證壓縮機構不能上升或者繼續壓縮。減震器總成完成后，要有一鍵釋放，各機構恢復原點，保障員工安全取下減震器。

3）壓裝機的監測

為了便于控制和監測壓裝機的運行狀態，壓裝機的操作面板設置如下：系統主界面圖、流程圖、控制回路、連鎖及報警界面、PLC控制梯形圖等。

圖3 伺服電機配線圖

3.2 壓裝機的控制流程

減震器壓裝機的一個周期工作主要分為零部件裝載、減震器定位、彈簧壓縮、螺母擰緊、總成出倉五部分，詳細流程如下：

1）操作員把減震器放在下定位夾具上，將彈簧墊、防塵套、彈簧等裝載在減震器上；

2）啟動中部夾具按鈕，固定減震器；

3）將上定位夾具卡在頂膠上，人工檢測裝載是否牢固；

4）啟動壓緊按鈕。伺服電機帶動滾珠絲杠，驅動壓緊機構向下運動，完成減震器彈簧的壓縮；

5）人工檢測減震器軸端是否完好，并放置螺母；

6）啟動螺栓擰緊按鈕。左右兩個擰緊機在氣缸的驅動下靠近減震器軸端螺母并完成擰緊；

7）啟動一鍵釋放按鈕，各機構恢復原位，操作員將減震器總成取出。

根據以上人工操作流程，減震器壓裝機的控制流程圖如圖3所示。

圖4 控制流程圖

4 PLC控制系統設計

4.1 PLC在控制系統中的應用

PLC以其功能模塊齊全、編程語言兼容性好、運行速度快等特點被廣泛推廣和應用，在控制領域中主要是實現自動控制，尤其是在開關量控制、運動控制、遠程控制等高精度要求方面。以減震器壓裝機的設計為例，簡介PLC在控制系統中的應用。在整個壓裝過程，彈簧壓縮和自鎖螺母擰緊兩個工序最為關鍵。不同型號減震器的彈簧壓縮行程不同，行程由壓縮起點和止點控制。行程不足，螺母無法擰緊；行程過量，對減震器上的零部件造成損壞。不同型號減震器自鎖螺母要求的預緊力也不同，施加載荷過大過小都會嚴重影響減震器的壽命和性能表現。因此，必須高精度控制彈簧壓縮行程和螺母擰緊力矩，實現對這兩道工序的實時監控與數據采集。

4.2 PLC選型和I/O口分配

就目前我國中型PLC市場分析，西門子、三菱和施耐德三個品牌已占據了大片席位。具有代表性的如西門子的CPU319、三菱的Q系列、施耐德的M340等。中型PLC主要適用于機器的復雜程度較高，對處理速度、程序容量、運動控制精度、通信方式等方面有較高要求的場合。本減震器壓裝機采用現場總線方式進行單機聯網，接入總裝MES系統，通訊網絡采用雙回路、閉環通信方式。根據實際需求選用三菱Q系列PLC，采用模塊化結構形式[4]。其基本組成包括：主基板、定位模塊、CPU模塊、I/O模塊、以太網模塊、電源模塊等。利用Q系列PLC的多CPU功能，將順序控制和運動控制分開處理，優化系統結構。本控制硬件系統組成包括Q35B主基板、Q00UJCPU CPU模塊、QD75P2N定位模塊、QX41數字量輸入模塊、QY42P數字量輸出模塊以及QJ71E71-100以太網模塊。其具體I/O地址分配如表1所示。

4.3 PLC控制梯形圖設計

根據壓機裝的工作流程以及功能特點，采用分布式編程方法完成子程序的調用。其部分程序如圖5所示。

表1 I/O分配表

圖5 扳手啟動程序

5 結束語

以PLC為核心的減震器壓裝機系統，實現了自動化控制，提高了減震器裝配線的自動化程度。同時，采用模塊化PLC控制系統，增強了壓裝過程的控制能力，提高了控制系統的可靠性，并簡化、優化了控制系統結構，也便于后期功能模塊添加和系統升級。