自動加工裝配系統設計探究

秦萍

【摘 ?要】機械裝配工藝過程的自動化，是機械制造系統自動化的重要基礎。論文介紹了自動加工裝配系統的結構、PLC控制設計方案及系統調試過程中遇到的問題及解決方法。

【Abstract】The automation of mechanical assembly process is an important basis for the automation of mechanical manufacturing system. This paper introduces the structure of the automatic machining and assembly system， the PLC control design scheme， and the problems and solutions encountered in the process of system debugging.

【關鍵詞】加工裝配;機械手;步進電機;組態

【Keywords】processing and assembly; robot; stepper motor; configuration

【中圖分類號】TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）10-0173-03

1 引言

機械裝配工藝過程的自動化，是機械制造系統自動化的重要基礎。自動加工裝配生產線，可以解決人工裝配工作容易出現誤差和故障的問題，工件檢測需要通過人工將設備搬運至檢測中心進行檢測、無法形成完整的生產線、生產效率低、勞動強度大等問題。設計的自動加工裝配生產系統，包括加工區、裝配區、轉運機械手。通過機械手及加工裝配設備的合理分布，實現全自動的供料、加工、裝配、檢測及入庫，從而實現工件的加工、裝配和檢測的全面自動化，可以減少操作人員因素造成的問題，提高了生產效率和產品質量，系統主要由控制器、觸摸屏、旋轉裝配臺、檢測傳感器、機械手等組成。

2 自動加工裝配系統結構設計

設計的自動加工裝配系統由供料倉、緩沖臺、機械手、加工裝配臺組成。系統設計兩個料倉，分別放置工件1和工件2，每個料倉裝設光電傳感器，實時檢測工件存量。緩沖臺安裝一只光電傳感器，用于檢測工件是否正常推入緩沖臺。機械手由4個氣缸組成氣動部件，分別控制機械手的上下、左右、伸縮、夾緊和松開動作，機械手的行走利用步進電機及驅動器控制。加工裝配臺由可轉動機械部件及氣缸、電磁閥、傳感器組成。電磁閥是電磁控制設備，是控制流體的自動化基礎元件，具有響應時間短、動作可靠、維修方便和體積小等優點。電磁閥利用電磁鐵推動閥門的開啟與關閉，調整介質的方向、流量、速度，多用于接通、切斷或轉換氣路和液路。電磁閥有多種，不同的電磁閥在控制系統的作用不同，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節閥等。選擇的電磁閥電壓規格為DC 24V，電壓允許波動范圍為±%10左右。電磁閥具有開關信號控制，便于實現PLC控制，所組成的自控系統簡單易行。根據系統工藝要求，設計選用常開型電磁閥。單電控閥只有一個線圈，得電為一個狀態，線圈失電時二位閥自動復位。系統中推料氣缸和裝配臺氣缸動作時間較短，均采用單電控電磁閥，在保證控制功能前提下可以節約PLC輸出端口數量。雙電控自保持電磁閥線圈通過脈沖式的電源工作，可以避免線圈長期通電發熱和互相沖突，可靠性高。系統中由于機械手動作氣缸動作時間較長，均設計采用雙電控電磁閥。裝配臺設計有4個裝配區，可以放入多個待裝配工件，提高裝配效率，如圖1所示。

3 自動加工裝配系統工作流程

工件1由料倉1中推入緩沖臺，機械手將緩沖臺上工件1抓取運送到裝配臺待裝配區，裝配臺逆時針轉動將待裝配工件運送到裝配區，與料倉2中的工件2進行裝配。裝配完成后，裝配臺轉動將裝配完成的產品運送到檢測區進行檢測。將檢測后的產品運送到入庫區，機械手將合格的產品運送到成品庫，不合格的產品運送到廢品庫。系統工作過程中出現異常情況，按下停止按鈕，系統立即停止工作，所有動作氣缸縮回。工件料倉出現缺料情況時，觸摸屏上相應報警燈亮，及時補足工件。

4 觸摸屏組態設計

在觸摸屏人機畫面上進行組態畫面設計，包括主畫面、模式選擇畫面、測試畫面、自動加工裝配4個畫面。

4.1 主畫面組態要求

觸摸屏上電后自動進入主畫面，主畫面設計要求：

①在主畫面顯示“自動加工裝配系統”字樣和自動加工裝配系統圖片。

②在主畫面放置“模式選擇”按鈕，按下此按鈕，進入模式選擇畫面。

4.2 模式選擇畫面組態要求

①在第一行顯示“模式選擇”。

②模式選擇畫面上設置“測試模式”“自動加工裝配模式”按鈕，這時按下“測試模式”按鈕，觸摸屏進入測試畫面;按下“自動加工裝配模式”按鈕，進入自動加工裝配模式畫面。

4.3 測試畫面組態要求

①畫面顯示“系統測試”文字，設置系統所有設備“初始狀態”指示燈。

②設置裝配臺“順時針轉動”“逆時針轉動”，機械手“上升”“下降”“左轉”“右轉”“夾緊”“松開”“前行”“后退”“復位”按鈕及“返回模式選擇”的按鈕。

4.4 自動加工裝配畫面組態要求

①設置“自動加工裝配”文字。

②設置“啟動”“停止”按鈕及“初始”“運行”指示燈。如果各個設備位于初始狀態，“初始”指示燈亮。此時才能觸摸“啟動”按鈕，“運行”指示燈亮，指示當前系統處于自動加工裝配工作狀態。

③設置“返回”按鈕，只有在系統處于停止狀態，按下此按鈕才有效，進入模式選擇畫面。

④設置“合格品數量”“不合格品數量”數字顯示，設置指示自動入庫中供料異常的指示燈，供料皮帶輸送單元的供料缺料狀態指示“料倉空”，報警燈以1Hz頻率閃爍。

5 PLC程序設計

系統工作模式分為測試模式和自動加工裝配模式，采用模塊化程序結構，分別建立測試和自動兩個程序塊，測試程序塊采用梯形圖進行設計，自動加工裝配模式程序塊采用順序功能圖進行設計。由于系統中機械手動作氣缸均為雙電控電磁閥，編程中要注意避免兩個線圈同時得電情況出現，以免造成電磁閥線圈損壞。

5.1 系統的啟動

通過觸摸屏操作進入自動加工裝配畫面，檢查系統準備情況。

①工件倉內有足夠數量的工件。

②設備初始狀態：機械手處于下降、右邊、縮回、氣爪松開狀態，位于原點處。旋轉裝配臺處于原點處，頂料氣缸、推料氣缸、裝配氣缸處于縮回狀態。

上述條件有一條不滿足系統無法啟動，可以通過手動方式讓所有設備進入初始狀態。

5.2 正常運行過程

①按下觸摸屏上“啟動”按鈕，系統進入運行狀態，“運行”指示燈亮。

②進入運行狀態后，將工件1推出到緩沖臺。若傳感器檢測到工件倉內沒有工件，觸摸屏上對應報警燈閃爍。

③緩沖臺監測到工件，機械手啟動，將工件1抓取運送到裝配臺待裝配區。

④待裝配區檢測到工件，裝配臺順時針轉動，將工件1運送到裝配區，頂料氣缸縮回，推料氣缸伸出，將工件2推出，裝配氣缸伸出，將工件2裝入工件1中。

⑤裝配完成后，旋轉裝配臺轉動，將裝配完成的產品運送到檢測區，進行檢測。檢測完成后旋轉裝配臺轉動，將產品運送到入庫區，機械手將檢測合格的產品運送到成品庫，將檢測不合格的產品運送到廢品庫，觸摸屏上相應計數器記錄顯示產品數量。

6 系統調試過程中的問題及處理方法

6.1 裝配臺轉速緩慢

裝配臺轉動由步進電機控制，是一種專門用于速度和位置精確控制的特種電機，步進驅動器是步進電機運轉的功率放大器，用于將PLC控制器發來的高速脈沖信號轉化為步進電機的角位移，步進電機的轉速與脈沖頻率成正比，通過控制脈沖頻率可以調節電機轉速、控制脈沖數就可以精確控制電機轉動角位移。微步驅動技術是電流波形控制技術，通過控制步進電機每相繞組電流的波形階梯上升或下降，即在最小和最大值之間有多個穩定的中間狀態，定子磁場的旋轉過程中也有多個穩定的中間狀態，實現了步進電機轉子旋轉的步數增多、步距角減小功能，提高了步進電機的步矩分辨率、減小轉矩波動，避免了低頻共振現象，同時降低了步進電機運行噪聲。步進電機的轉速與驅動器的細分數成反比，為了提高步進電機的定位精度，將步進電機驅動器的細分數設置增大了，引起裝配臺轉速變慢。步進電機驅動器細分數設置變化后，需重新設置PLC設備組態中計數器通道0的操作參數。

6.2 裝配臺轉動方向不正確

造成裝配臺轉動方向不正確的常見原因是步進電機驅動器接線錯誤導致。步進電機驅動器常見接線方式有三種：共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法。驅動器內部有光電隔離耦合器，起到與外部電路電氣隔離、抗干擾的作用。選用的是四線電機高速模式，輸出電流設定值等于或略小于電機額定電流值?？梢酝ㄟ^交換步進電機與驅動器接線的A+和A-（或B+和B-）接線位置解決此問題。另外，裝配臺工作過程中，注意觀察步進電機運行中振動聲音、電機運行平穩狀態、檢查發熱溫升等情況。步進電機方向改變也可以通過程序設定方法控制修改，控制方向控制信號Q0.1的輸出。如果裝配臺逆時針轉動，CONNT_300C指令框中的脈沖當前值CONUTVAL出現遞減計數，可以通過將PLC設備組態中計數器通道2的輸入設定為脈沖“計數方向反向”來修改為遞增計數。

6.3 工件裝配不進去

分析原因是旋轉裝配臺轉動定位誤差較大，造成工件沒有完全送入裝配區，無法順利完成裝配工作。單獨編寫裝配臺轉動位置脈沖測試程序，記錄裝配臺轉動到待裝配區、裝配區、監測區等關鍵位置脈沖數，反復測試調整裝配臺轉動參數，實現快速準確裝配。

6.4 氣缸部件動作出現擺動

在調試過程中，機械手的轉運工件動作及裝配過程中采用了多個氣缸執行元件，流程中各個動作功能的切換通過傳感器條件控制，由于機械運動部件慣性，出現氣動部件動作銜接過快導致工作不穩定，出現擺動。如果機械手此時抓取有工件，可能會導致工件掉落等異常情況。解決方法：一是通過調節氣缸節流閥控制流量，減少氣動執行元件慣性;二是在程序中加入延時控制，將傳感器觸點和定時器觸點串聯作為動作功能轉換條件。采用程序中加延時控制方法，各個動作功能轉換的延時時間可以根據動作實際情況方便的設定，保證動作銜接的可靠性，靈活方便、效果良好。

6.5 傳感器故障

加工裝配系統設計安裝了多支傳感器，分別用于各個氣缸動作位置的檢測，在調試過程中出現了傳感器接線錯誤，導致傳感器實際I/O地址與設計的硬件電路中I/O地址不符，造成順序功能圖轉換條件錯誤，出現不能按照順序功能圖流程正常執行的情況。檢查方法：對照設計I/O分配表，逐一檢查傳感器接線，同時通過手動給傳感器信號，觀察PLC控制器中對應輸入指示燈的亮滅變化，是否與分配表一致。發現有不一致的，按照設計的I/O分配表進行重新接線，必須保持與硬件電路設計一致。

7 結語

傳統機械裝配作業復雜程度高，需要依靠裝配作業人員經驗，根據零件與部件的機械加工質量及配套情況，采取適合的裝配工藝措施，保證裝配質量，對裝配人員技能要求較高。工裝配自動化生產線采用了高精度的定位控制技術及傳感檢測技術，實現機械裝配自動化，提高了裝配精度的一致性，穩定了產品質量，使得裝配工人擺脫了繁重的手工裝配勞動，提高了整個系統的生產率、降低了生產成本。

【參考文獻】

【1】李晟蒞.工程機械自動化裝配工藝發展研究[J].中國設備工程，2020（04）：163-164.

【2】鄭凱.一種軸承密封蓋自動化裝配設備控制系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2020（04）：57-61.