基于PLC控制的多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)設(shè)計(jì)

陳慧蓉，蔣 玲，張 超

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.杰鋒汽車動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，安徽 蕪湖 201107)

市場(chǎng)上的壓裝機(jī)功能單一，壓裝汽車催化器的載體和壓裝汽車消聲器的內(nèi)組件需要在兩套不同的壓裝機(jī)，而且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是油壓系統(tǒng)，對(duì)載體或內(nèi)組件在壓入筒體中的位置精度控制不高。如果載體在筒體中位置不夠準(zhǔn)確，在旋壓過(guò)程中易造成載體的損壞；如果內(nèi)組件在筒體中的位置不準(zhǔn)確，就會(huì)造成內(nèi)組件進(jìn)出氣管口漏出消聲器筒體的長(zhǎng)度無(wú)法控制一致，從而影響下一道工序焊接質(zhì)量，造成不必要的報(bào)廢，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)是在此背景下開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，能夠滿足不同產(chǎn)品可以在同一臺(tái)設(shè)備上壓裝的要求，解決了汽車催化器的載體或汽車消聲器的內(nèi)組件在壓入筒體中位置控制精度不高的問(wèn)題，增加了設(shè)備在壓裝過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，遇到不合格品能夠自動(dòng)識(shí)別報(bào)警。該設(shè)計(jì)已獲得實(shí)用新型專利(專利號(hào)201521082571.0)[1]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)方案

多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)用于壓裝汽車催化器的載體和汽車消聲器的內(nèi)組件，這種多功能具有箱體；設(shè)置在箱體中部附近的筒體支撐架，筒體夾持在筒體支撐架上；筒體支撐架上下兩側(cè)分別設(shè)置上壓入模具和下壓入模具，上壓入模具和下壓入模具能夠在齒輪和齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)軌上下移動(dòng)；上壓入模具和下壓入模具的其中一個(gè)是載體壓入模具，另一個(gè)是內(nèi)組件壓入模具。箱體上還設(shè)有觸摸屏。筒體支撐架上設(shè)有視覺(jué)傳感器。雙向自動(dòng)壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

圖1 多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖注：1.箱體，11.導(dǎo)軌，2.筒體支撐架，3.上壓入模具，4.下壓入模具，5.觸摸屏，6.視覺(jué)傳感器。

包括設(shè)備的機(jī)架機(jī)構(gòu)、伺服壓入機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、載體壓入模具、內(nèi)組件壓入模具、電控系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。機(jī)架機(jī)構(gòu)是該裝置的最基本機(jī)構(gòu)，支撐伺服壓入機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、模具機(jī)構(gòu)、電控箱等；伺服壓入機(jī)構(gòu)是該裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將載體或內(nèi)組件精準(zhǔn)的壓入筒體中所要求的位置；夾持機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對(duì)筒體定位夾持的功能；模具機(jī)構(gòu)是針對(duì)不同產(chǎn)品分為載體壓入模具和內(nèi)組件壓入模具；電控系統(tǒng)是該裝備的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)裝備動(dòng)作進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，按規(guī)定要求進(jìn)行動(dòng)作；氣動(dòng)系統(tǒng)是給夾持機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的。

1.2 氣動(dòng)控制

該多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)控制，避免使用液壓驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的設(shè)備泄漏油的問(wèn)題，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用雙作用氣缸，因此控制它們工作的電磁閥需要有二個(gè)工作口和二個(gè)排氣口以及一個(gè)供氣口，故使用的電磁閥均為二位五通電磁閥。氣動(dòng)控制回路的工作原理如圖2所示。1Y1為控制夾緊氣缸運(yùn)動(dòng)的二位五通單電控電磁閥，由PLC開(kāi)關(guān)量輸出端口控制電磁閥線圈的通斷電，從而控制夾緊機(jī)構(gòu)與筒體之間的夾緊與松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)筒體定位夾持的功能，1B1、1B2為安裝在氣缸極限工作位置上的磁性傳感器。通常這個(gè)氣缸的初始位置設(shè)定在縮回狀態(tài)，夾緊機(jī)構(gòu)處于松開(kāi)狀態(tài)。[2—4]

圖2 氣動(dòng)控制回路的工作原理圖

1.3 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)采用日本三菱品牌FX3U-48MTPLC作為主要控制元件，觸摸屏為北京昆侖通泰TPC7062TI品牌，日本三菱品牌伺服驅(qū)動(dòng)器MR-JE-10A驅(qū)動(dòng)器和HF-KN13J-S100 AC伺服電動(dòng)機(jī)，采用脈沖串+方向信號(hào)脈沖輸出形式，PLC通過(guò)外部硬件接線和軟件程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝機(jī)的I/O操作，伺服驅(qū)動(dòng)器的指令脈沖串輸入脈沖數(shù)PP(CN1-10)和指令脈沖方向輸入NP(CN1-35)與PLC輸出端相連，伺服開(kāi)啟SON(CN1-15)、強(qiáng)制停止EM2(CN1-42)正轉(zhuǎn)行程末端LSP(CN1-43)和反轉(zhuǎn)行程末端LSN(CN1-44)與D0COM(CN1-46)相連，外加伺服驅(qū)動(dòng)器的控制回路電源接線：20(DICOM)與12(OPC)短接后，接到24VDC正極，接到0V，可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的位置控制。觸摸屏與PLC的RS232端口連接，實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間通信。[2，5]

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)：按照壓裝機(jī)的手動(dòng)操作、回原點(diǎn)操作、自動(dòng)運(yùn)行等工作模式、PLCI/O畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定、更換模具、壓力與位移關(guān)系的曲線圖、異常畫(huà)面顯示等環(huán)節(jié)均在控制屏上可視化，并最終實(shí)現(xiàn)壓裝機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，增強(qiáng)人機(jī)交互性。圖3設(shè)備主選擇界面。

圖3 設(shè)備主選擇界面

程序設(shè)計(jì)方面：根據(jù)多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)的邏輯動(dòng)作順序，采用三菱SFC編程語(yǔ)言及程序步自帶的互鎖跳轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)壓裝動(dòng)作，控制程序結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試、故障診斷和維修都很方便。[3][5]

運(yùn)用視覺(jué)防錯(cuò)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別筒體所放置、在載體或內(nèi)組件壓入的過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在觸摸屏上顯示出壓力與位移關(guān)系的曲線圖、通過(guò)視覺(jué)傳感器來(lái)識(shí)別產(chǎn)品的進(jìn)、出氣方向等一系列防錯(cuò)措施，有效提高設(shè)備操作的可靠性、智能性，實(shí)現(xiàn)合格品和不合格品的有效分離。[6]

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理

多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)的特征在于：按下啟動(dòng)按鈕后，首先視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)筒體放置位置進(jìn)行檢查，若筒體放置位置正確，夾持機(jī)構(gòu)氣缸收縮，主齒條后退帶動(dòng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪又帶動(dòng)被動(dòng)齒條移動(dòng)，從而使夾持機(jī)構(gòu)抱緊筒體，筒體抱緊傳感器燈亮后，上壓入模在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將上部的載體或內(nèi)組件壓入筒體中規(guī)定位置后，停止不動(dòng)，下壓入模在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將下部的載體或內(nèi)組件壓入筒體中規(guī)定位置，然后上模上升，下模下降到預(yù)定位置停止，夾持機(jī)構(gòu)松開(kāi)，取出壓裝好的筒體組件，并進(jìn)入下一循環(huán)動(dòng)作。如果只有一個(gè)載體或內(nèi)組件，則通過(guò)程序選擇即可實(shí)現(xiàn)上模移動(dòng)，下模不動(dòng)的方式進(jìn)行壓入。壓入過(guò)程中，在規(guī)定區(qū)間內(nèi)若壓裝力低于或高于規(guī)定值，設(shè)備都會(huì)報(bào)警而停止壓入，并記錄不合格品數(shù)。工件只有在按下不合格產(chǎn)品解鎖按鈕設(shè)備才能回歸原位，松開(kāi)夾持機(jī)構(gòu)，取下工件，實(shí)現(xiàn)了不合格品與合格品的分開(kāi)。通過(guò)該設(shè)備將原先多次壓裝作業(yè)，變成了現(xiàn)在一次壓裝完成。其結(jié)構(gòu)圖、夾緊機(jī)構(gòu)和磨具機(jī)構(gòu)分別如圖4、圖5、圖6所示。達(dá)到催化器的載體壓入和消聲器的內(nèi)組件壓入能在同一臺(tái)設(shè)備上完成，且設(shè)備能顯示監(jiān)控壓裝過(guò)程封裝力，在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)若封裝力低于產(chǎn)品封裝要求的設(shè)定值，設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止壓入，并記錄產(chǎn)品不合格數(shù)；同理，在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)若封裝力高于產(chǎn)品封裝要求的設(shè)定值，設(shè)備也會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止壓入，并記錄產(chǎn)品不合格數(shù)。另外，設(shè)備還有視覺(jué)防錯(cuò)系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別筒體所放置的位置是否正確，筒體位置封裝不準(zhǔn)確設(shè)備不能啟動(dòng)，提升了設(shè)備的智能性。通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)提升了載體或內(nèi)組件壓入筒體位置的精準(zhǔn)性。

通過(guò)PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)載體或內(nèi)組件壓入筒體進(jìn)行了精確的定位，對(duì)壓入載體來(lái)說(shuō)，消除載體在下一道旋壓工序損壞的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于內(nèi)組件而言，消除了內(nèi)組件進(jìn)出氣管口伸出筒體長(zhǎng)度不一的問(wèn)題，使得內(nèi)組件伸出筒體長(zhǎng)度一致，確保了下一道焊接工序不會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)。

圖4 壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖5 夾持機(jī)構(gòu)

圖6 模具機(jī)構(gòu)

2.2 性能分析

該設(shè)備既能一次壓入一個(gè)汽車催化器的載體，也能一次壓入兩個(gè)載體；通過(guò)更換模具還可以對(duì)汽車消聲器的內(nèi)組件進(jìn)行壓裝，實(shí)現(xiàn)了不同產(chǎn)品可采用同一臺(tái)壓裝設(shè)備，降低了企業(yè)的制造成本，提升了設(shè)備的利用率。由于采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了載體或內(nèi)組件筒體中的精確定位。在載體或內(nèi)組件壓入的過(guò)程中通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在觸摸屏上顯示出壓力與位移關(guān)系的曲線圖，全過(guò)程控制可以在作業(yè)進(jìn)行中的任意階段自動(dòng)判定產(chǎn)品是否合格，在規(guī)定的區(qū)間上如果壓力超出或低于設(shè)定值，設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警，100%實(shí)時(shí)去除不良品，從而實(shí)現(xiàn)在線質(zhì)量管理。通過(guò)視覺(jué)傳感器來(lái)識(shí)別產(chǎn)品的進(jìn)、出氣方向，提升了設(shè)備自動(dòng)防錯(cuò)能力，消除了人工裝配過(guò)程中易出錯(cuò)的現(xiàn)象，極大的提升了產(chǎn)品的性能[1]。壓裝力、壓入深度、壓裝速度、保壓時(shí)間等全部可以在觸摸屏上進(jìn)行數(shù)值輸入，界面友好，操作簡(jiǎn)單；通過(guò)外部端口連接計(jì)算機(jī)，可以將壓裝數(shù)據(jù)存貯在計(jì)算機(jī)中，保證產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)的可追溯性，便于生產(chǎn)質(zhì)量控制管理；由于機(jī)器本身就具有精確的壓力和位移控制功能，所以不需要另外在工裝上加硬限位，加工不同規(guī)格產(chǎn)品時(shí)只需調(diào)用不同壓裝程序，因此可以輕松地實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用和柔性組線。

結(jié)語(yǔ)

多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)根據(jù)用戶的要求進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的，采用機(jī)、電、氣一體化設(shè)計(jì)、選用三菱FX3U系列PLC，TPC7062TI觸摸屏、雙作用氣缸和單電控二位五通電磁閥三菱伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)；設(shè)備具有手動(dòng)、自動(dòng)、異常情況報(bào)警和在線顯示等功能。該設(shè)備將原先的催化器載體和消音器內(nèi)組件所需兩臺(tái)設(shè)備經(jīng)過(guò)整合設(shè)計(jì)變成一臺(tái)設(shè)備，節(jié)約了生產(chǎn)成本和設(shè)備投入，設(shè)置一系列防錯(cuò)措施，實(shí)現(xiàn)了合格品和不合格品的有效分離，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線管理，該壓裝機(jī)用于汽車消聲器和催化器的壓裝,也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)組件壓裝(缸蓋，缸套，油封等)轉(zhuǎn)向器組件壓裝(齒輪，銷軸等)傳動(dòng)軸組件壓裝，齒輪箱組件壓裝，剎車盤(pán)組件壓裝等[1]。

該多功能雙向自動(dòng)壓裝機(jī)自制成本8萬(wàn)元，較某設(shè)備制造公司2015年報(bào)價(jià)30萬(wàn)元，節(jié)約新設(shè)備采購(gòu)成本22萬(wàn)。