基于PLC 的軸承自動裝配機電氣控制系統設計

程 昊，吳何畏

（湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441053）

引言

作為精密的機械基礎件，滾動軸承是一種通用性很強、標準化程度很高的旋轉支承元件，對主機性能和使用壽命的影響非常關鍵和重要。其裝配是通過一定的方法和步驟，將內圈、外圈、滾動體、保持架等主要零件，按規定的精度、游隙、預緊、清潔度以及振動和噪聲等技術要求組裝成軸承成品的工藝過程。目前企業生產中依然普遍存在的手工和半自動加工裝配情況已經成了進一步提高生產效率和產品質量的瓶頸。自動裝配不會因為工人疲勞、疏忽、情緒、技術不熟練等因素影響而造成產品質量缺陷或不穩定。大批量的自動化裝配還會可進一步降低生產成本。因此，將現有的設備進行自動化改造或重新設計，提高產品的質量和生產效率，成為了必然的趨勢。

1 滾動軸承的裝配工藝

滾動軸承的裝配是軸承加工當中的重要環節，其裝配工藝比較復雜，有精度、游隙、預加載荷、清潔度、振動和噪聲等各項技術要求[1]。

各種滾動軸承裝配的工序基本相同，以6000-2Z 系列深溝球軸承為例，其裝配流程如圖1所示。

圖1 6000-2Z 系列深溝球軸承裝配工藝流程圖

2 軸承自動裝配系統總體設計

為穩定可靠完成軸承的裝配控制功能，提高裝配質量和生產效率，考慮到用戶和成本等一系列問題，設計了一套經濟適用的控制系統。

2.1 系統結構

PLC 控制系統不僅能完成傳統繼電器控制系統的全部功能外，還可實現模擬量控制、開環或閉環過程控制，以及多級分布式控制。

2.2 總體設計方案

軸承自動裝配裝置的總體設計方案如下頁圖2所示。本系統的特點是：由PLC 控制系統完成各工位工序的順序控制和并行動作協調，生產效率大幅提高；通過伺服閉環控制方式，回轉工作臺的旋轉定位精度可以保證軸承裝配的精度要求，同時也滿足平穩迅速和安全可靠性的要求。

圖2 總體設計方案

2.3 控制系統的硬件選型

2.3.1 PLC 選型

PLC 需要輸出脈沖控制步進和伺服電機，結合其他輸入/輸出裝置共計占用輸入點43 個，輸出點44 個。綜合考慮性價比、靈活性等諸方面因素，選擇三菱FX2NC-96MT[2]。其輸入點輸出點各48 個，晶體管輸出型，滿足設計需求。

2.3.2 伺服系統選擇[3]

根據回轉工作臺的轉動慣量及啟動力矩，選臺達ECMA-C30807ES 電子換向式三相永磁同步交流伺服電機，電壓220 V，轉速3 000 RPM，功率750 W。

伺服控制器選臺達ASD-A0721-AB，功率750W，編碼器分辨率10 000 PPR。

光電編碼器選臺達2 500 PPR 配套專用產品。

2.3.3 其他電氣元件選擇。

開關電源。因為PLC 選用了晶體管輸出型的MT 系列，現場的電磁閥、指示燈以及傳感器均采用直流24 V 供電，故選A-250-24 型號，220 V 輸入，24 V 輸出，輸出電流10 A，滿足系統要求。

電磁閥。系統中取放和搬運工件由機械手完成，通過電磁閥控制，根據動作要求和輸出端對負載的要求，故選SY5120-5GD-01，其線圈電壓采用直流24 V。

3 程序設計

I/O 分配表略。

3.1 SFC 程序設計

SFC 即Sequential Function Chart，順序功能圖，具有結構清晰、直觀簡便、易于閱讀和維護等特點。設計的SFC 控制流程如圖3 所示。

圖3 SFC 控制流程

1）系統啟動，檢測各工作機構的狀態，控制各工作機構處于初始位置。

2）合套。機械手1 和機械手2 分別抓取已選配好的一組軸承內圈和外圈，先后放置到回轉工作臺上指定工位合套，然后機械手歸位。

3）回轉工作臺伺服電機動作，順時針轉動90°。

4）裝球。計數器清零，滾道放下，鋼球傳送帶啟動，和前道工序內外圈匹配的一組鋼球以一定的速度和間隔沿著滾道滾下。滾道末端安裝有擋片，初始位置打在右邊，引導鋼球進入軸承內外圈左半邊的裝球位置。當一半的鋼球（通過光電開關檢測，PLC計數）已經滾入左邊分支滾道時，迅速將擋片打到左邊，引導鋼球進入右半邊的裝球位置。裝球完畢，傳送帶停止運行，滾道收起。

5）工作臺順時針轉90°。

6）內圈撥回中心位置。機械手3 下降到內圈內部后，徑向向外撥動內圈使之回到中心位置。然后機械手復位。

7）工作臺順時針轉90°。

8）分球與安裝上半保持架。機械手5 抓取已裝好鋼球的軸承放置到分球工作臺上，松開夾緊裝置即啟動分球工作臺上的鋼球球窩托盤低速旋轉一周，使鋼球均勻落位分球。托盤啟動旋轉的同時，機械手5 返回原位，機械手7 抓取一只上半保持架（定位在機械手的上凹模上），并移動到托盤上方。托盤停轉后機械手7 將上保持架對位放好，然后機械手復位。

9）工作臺順時針轉90°。

10）放下半保持架。機械手4 動作，利用負壓抓取一只裝好鉚釘的下保持架（鉚釘頭在下，負壓防止鉚釘脫落），定位在機械手的上凸模上。然后放置到回轉工作臺的定位凹模上，鉚釘處于垂直狀態。機械手4 關閉負壓空氣閥，返回原位。

11）工作臺順時針轉90°。

12）合架。機械手6 抓取分球工作臺上已裝好上保持架的軸承。利用機械手6 的上凹模將上保持架和回轉工作臺下凹模上的下保持架利用模具對準，鉚釘從上保持架的鉚釘孔中穿出。

13）工作臺順時針轉90°。

14）鉚接。上沖頭的壓力來自主軸頂部的汽缸。打開變向氣閥，壓縮空氣從上進入汽缸推動活塞向下運動，經上沖頭壓向鉚釘桿而成形。完成鉚接后變向氣閥換向，壓縮空氣從汽缸底部進入，推起活塞使上沖頭返回。

15）工作臺順時針轉90°。

16）成品。機械手8 將鉚接好的軸承抓取放置到成品檢測包裝流水線上。

3.2 初始化程序設計

如圖4 所示，主程序中根據用戶按下的是空載啟動按鈕還是滿載啟動按鈕，通過對一組計數器置數或清零來控制下面的八個裝配工序是依次啟動運行還是并行運行?；剞D工作臺每轉動一次，接近開關就產生一個計數脈沖。滿載啟動的時候由于各計數器初始值都已被賦予滿值，故下面的八個工序起始狀態都滿足啟動條件，處于并行運行的狀態。空載啟動時則各工序起始狀態依次被激活。

圖4 初始化程序

4 結語

在總結國內外軸承自動裝配機現狀和發展趨勢的基礎上，結合企業原有的裝配生產情況，利用成熟的可編程控制器技術及伺服控制技術，對軸承自動裝配機的電氣控制技術進行研究，開發出裝配效率高、可靠性好并且操作方便的軸承自動裝配機控制系統，通過企業實際應用，設備運轉可靠，提高了裝配質量和生產效率。