基于PLC的智能手環全自動充電觸點銅柱裝配機設計

覃勝林 岳高 陳勇林 覃文輝 馬秸耘

收稿日期：2023-06-02

基金項目：廣西大學生創新訓練項目（S202210595108）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.037

摘? 要：智能手環的市場需求量持續增大，但因其結構復雜精細，傳統人工裝配生產效率低下且易因疲勞導致裝配精度較差等質量問題。對此，提出一款基于PLC集成的智能手環充電觸點銅柱全自動安裝設備。設備采用可編程控制器PLC作為核心控制器，通過光電傳感器和磁性開關采集機械裝置工作狀態信息并進行實時反饋與控制，實現智能手環充電觸點銅柱全自動安裝，推動智能手環產能、裝配質量與優品率協同提升。

關鍵詞：充電觸點銅柱；自動化安裝；PLC控制；機械設計制造

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0180-05

Design of an Intelligent Bracelet Fully Automatic Charging Contact Copper Pillar Assembly Machine Based on PLC

QIN Shenglin， YUE Gao， CHEN Yonglin， QIN Wenhui， MA Jieyun

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin? 541004， China）

Abstract： The market demand for smart bracelets continues to increase， but due to their complex and fine structure， traditional manual assembly production efficiency is low， and fatigue can easily lead to poor assembly accuracy and other quality problems. A fully automatic installation device for the charging contact copper pillar of an intelligent bracelet based on PLC integration is proposed. The equipment adopts a programmable logic controller （PLC） as the core controller， which collects the working status information of the mechanical device through photoelectric sensors and magnetic switches， and provides real-time feedback and control. It realizes the fully automatic installation of the charging contact copper pillar of the smart bracelet， promoting the synergistic improvement of intelligent bracelet production capacity， assembly quality， and excellent product rate.

Keywords： charging contact copper pillar; automated installation; PLC control; mechanical design and manufacturing

0? 引? 言

智能手環是一種智能穿戴式設備，除能通過記錄日常鍛煉、睡眠等實時數據來指導用戶健康生活外，未來隨著移動通信、圖像技術與人工智能等技術的不斷發展，還有望成為工作輔助設備并運用于日常工作以及通信和醫療等行業中，其市場需求量巨大[1]。觸點充電式手環使用壽命持久且充電效率高，而高質量高精度的充電觸點銅柱安裝是其生產過程的重要一環，傳統手工安裝質量不穩定且工作效率低，無法滿足規模化高質量生產需求[2]。自動化生產質量穩定且工作效率高，適合充電手環的大批量生產，但目前研制的充電觸點銅柱裝配機器體型較大且自身成本較高，有待進一步優化。針對上述情況，本文基于PLC邏輯控制器開展小體積、高精度與低成本全自動手環充電觸點銅柱裝配機設計與優化，實現銅柱的全自動化控制與安裝功能控制，以滿足智能手環優質與高效的自動化生產需求。

1? 設計思路與總體結構

綜合現有生產設備與充電觸點銅柱安裝方法，本文設計出一種基于PLC控制的智能手環充電觸點銅柱自動裝配系統。其中，PLC控制器整合光電傳感器和磁性開關的狀態信息，執行相應的程序指令來控制驅動伺服電機模組和控制外部繼電器通斷，間接控制機械裝置中的各式氣缸，實現系統的供料、吸取、裝配和下料等功能，實現連續自動裝配手環充電觸點銅柱，其具體工作流程如圖1所示。

按照上述思路，本文設計的裝配系統主要由銅柱儲料及供料裝置、直線伺服電機模組、手環殼調整及固定裝置、銅柱吸取及安裝裝置、手環殼吸取裝置、手環殼上料和下料導軌六部分組成，如圖2所示，各部分功能如下：

1）銅柱儲料及供料裝置：儲存充電銅柱并為設備提供原料，供吸盤重復吸取進行安裝。

2）直線伺服電機模組：作為橋梁，利用伺服電機攜帶部分直線氣缸和吸盤在不同裝置間進行移動。

3）手環殼調整及固定裝置：包括旋轉氣缸和雙軸直線氣缸，進行手環殼方向的調整和安裝前的固定操作。

4）銅柱吸取及安裝裝置：對銅柱進行吸取及安裝，將其安裝于直線伺服電機模組。

5）手環殼吸取裝置：對手環殼進行吸取與轉移，將其安裝于直線伺服電機模組。

6）手環殼上料和下料導軌：引導手環殼進料和出料。

（a）裝配機整體機構圖

（b）銅柱裝配區域局部放大圖

圖2? 裝配機整體機構圖與銅柱裝配區域局部放大圖

2? 電氣控制系統設計

自動化控制是該智能手環自動裝配系統功能實現的重要環節，本文主要采用可編程邏輯控制器PLC來實現銅柱的全自動化控制與安裝。PLC控制器是一種專門為工業生產應用而開發的數字運算操作與電子控制系統，有望直接應用到現有的智能手環生產流程與控制中[3，4]。設計采用DELTD DVP40ES00T2型PLC控制器，同時采用ISPsoft軟件進行編程。針對裝配機和PLC工作特點，將總體程序分為多個程序單元，并使用梯形圖和SFC圖完成程序單元及總程序的編寫，外部的光電傳感器及磁性開關負責提供程序單元運行時所需的部分條件及轉移條件，順序控制機器完成整個裝配過程實現自動裝配功能[5]。PLC編程方便簡潔，可高效完成充電觸點銅柱的裝配，具有高可靠性、良好的兼容性和靈活性等優點[6]。

3? 控制軟件設計

程序設計整體基于ISPsoft軟件中的順序功能流程圖完成編寫。程序整體分為多個功能模塊順序執行完成全自動裝配功能，程序主要功能模塊包括手環殼方向判斷功能模塊、伺服脈沖輸出功能模塊、充電銅柱吸取功能模塊及銅柱安裝功能模塊。

3.1? 手環殼方向判斷功能模塊

此功能模塊主要作用為判斷處于上料導軌末端的手環殼的方向，是基于進入導軌末端的激光對射傳感器的信號X0變化進行手環殼方向判斷。手環殼處于進入導軌末端等待固定安裝時，若手環殼方向為正，激光對射傳感器的激光通過未安裝充電銅柱的孔，未檢測到遮擋物，傳感器信號輸出低電平，程序判斷為方向正，轉移條件M13輸出，進入程序分支1；若手環殼方向為反，則會檢測到遮擋物，傳感器信號輸出高電平，程序判斷為方向反，轉移條件M14輸出，進入程序分支2。程序分支1、2區別在于是否對手環殼方向進行調整。功能模塊設計如圖3所示。

圖3? 手環殼方向判斷功能模塊

3.2? 伺服脈沖輸出功能模塊

此功能模塊的作用主要是輸出脈沖給伺服電機驅動器，控制伺服電機。進入該功能模塊，達成初始條件后，通過脈沖輸出指令DPLSY和Y0輸出端口輸出，脈沖同時通過輸出端口Y1的輸出信號確定運動方向，使直線運動模組按既定方向運行。脈沖輸出完成后，輔助繼電器M1029接通。基于銅柱吸取位置的霍頓開關的信號輸出X11判斷是否到達既定位置。若沒有到達既定位置，則會通過分支程序重新返回該程序功能模塊輸出脈沖；反之進入下一程序功能模塊。圖4所示為完成手環殼固定操作后的第一次輸出脈沖功能模塊。

3.3? 充電銅柱吸取功能模塊

如圖5所示，充電銅柱吸取功能模塊的作用主要是對充電銅柱進行吸取，一個完整功能流程需要進行兩次充電銅柱的吸取。直線運動模組到達銅柱吸取位置（左側位），直線氣缸攜帶小吸盤向下運動，緊壓充電銅柱。延時T9結束后，進行吸取銅柱。功能基于輸出端口信號，接通或斷開外部繼電器，控制氣缸。其中，延時T9、T10是為保持設備運行的穩定性，給予氣缸運行完成所需的必要時間，可根據實際情況修改。

圖5? 充電銅柱吸取功能模塊

3.4? 充電銅柱安裝功能模塊

如圖6所示，充電銅柱安裝功能模塊的作用主要是對充電銅柱進行裝配，一個完整功能流程需要進行兩次充電銅柱的安裝。直線運動模組攜帶充電銅柱到達安裝位置右側位（第二次安裝，到達右側位后先進行位置的精確微調），由兩個直線氣缸攜帶被吸附的充電銅柱壓入既定孔，完成后恢復初始狀態并進入下一步。其中，延時T11、T12是為保持設備運行的穩定性，給予氣缸運行完成所需的必要時間，可根據實際情況修改。

圖6? 充電銅柱第一次安裝功能模塊

4? 氣動控制系統

4.1? 氣缸裝置

氣缸主要利用氣體膨脹做功，氣動機構與工作部件可因超載而停止不動，無過載的危險，因而具有反應迅速、耗能低與安全性高的特點[7]，是該設計中的主要動力器件。相較于目前的前端手環殼調整方式，本設計增加了旋轉氣缸和雙軸氣缸作為核心裝置分別來調整手環殼方向以及固定手環殼，其連接順序與裝配結構如圖7所示。

圖7? 旋轉氣缸和雙軸氣缸

旋轉氣缸和雙軸氣缸的作用及工作過程分別介紹如下。

4.1.1? HRQ2旋轉氣缸

其上方安裝有載物臺，當設備運行時，手環殼進入導軌的末端，經激光對射傳感器檢測并確定其方向，若方向為正（激光無遮擋），手環殼進入載物臺立即由雙軸氣缸進行固定；若方向為反（激光有遮擋），則會先利用旋轉氣缸進行方向調整然后再由雙軸氣缸固定。使用旋轉氣缸可有效簡化結構并提高自動化，樣機測試結果顯示方向檢測正確率達到96%以上。

4.1.2? TN10X20S雙軸氣缸

手環殼經旋轉氣缸調整方向完畢且經漫反射激光傳感器確認到位后，雙軸氣缸將執行直線運動并用緩沖橡膠墊壓緊手環殼并固定。雙軸氣缸能有效固定手環殼，提高銅柱安裝時的穩定性以及產品質量，降低次品率。

4.2? 伺服電機

伺服電機是一種補助馬達間接變速裝置，具有運轉平穩與噪聲較小等優點，可以克服步進電機低速運轉時的低頻振動[8]。在本設計中，銅柱和手環殼的吸取主要依靠吸盤來完成，伺服電機的穩定性可以保障在較低氣壓下吸盤能夠快速可靠的吸取殼體或銅柱完成轉移動作，所用伺服電機型號為ECMA-C20401GS[9]。在雙軸氣缸完成手環殼固定后，PLC控制器向伺服電機驅動器輸出脈沖，通過控制伺服電機轉移吸取銅柱以及吸取手環殼的吸盤，完成銅柱安裝及裝配完成后手環殼的轉移。在可靠轉移條件下，銅柱轉移效率可以達到50個/每分鐘。伺服電機可在保證設備安全性提高的同時大幅度提高其裝配穩定性及裝配效率。

4.3? 傳感檢測模塊

本設計采用大量的傳感器來實時監測物料位置信息和設備工作狀態信息，為PLC控制器提供信息支持并實現其有效邏輯控制[10]，從而提高設備的穩定性、安全性與可靠性。各類傳感器信息如表1所示。

表1? 傳感器信息表

傳感器名稱 作用

磁性開關 信號轉化，完成對氣缸工作狀態的采集

激光對射傳感器 檢測孔的位置，確定是否需要調整方向

限位開關 直線運動模組位置信息采集

漫反射傳感器 檢查殼體位置，確保到位

5? 測試分析

根據上述結構設計方案和電路設計方案得出樣機。經樣機測試分析得出部分數據，其中，樣機占地面積僅為0.5平方米，整體裝配完成平均速率達到32個/每分鐘，部分情況如表2所示。

表2? 樣機測試情況

測試項 數值/個 樣本數/個 成功率/ %

方向檢測準確度 48 50 96

充電觸點銅柱吸取成功率 50 50 100

充電觸點銅柱裝配成功率 48 50 96

整體裝配完成成功率 46 50 92

6? 結? 論

本文基于PLC控制設計了一款小體積、低成本的全自動手環充電觸點銅柱裝配機。該設備以氣缸和伺服電機作為主要動力器件，通過各式傳感器保障程序運行邏輯和設備穩定運行，實現手環充電觸點銅柱全自動裝配的功能。樣機測試結果顯示裝配速率可以達到32個/每分鐘，裝配效率提高20%，具有產品質量高、裝配效率高與安全性高等優點。該裝配機基于PLC控制，與現有主流設備相比，該設計占地面積僅為0.5平方米，減少了占地面積，可接入智能化的工廠制造系統并采用并聯式生產線提高產能，有望替代現有裝配設備，具有較高的應用價值。

參考文獻：

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[9] 張宇皓.基于PLC控制雙伺服電機驅動連鑄結晶器非正弦振動研究 [D].秦皇島：燕山大學，2022.

[10] 黃勇超，鄧發云.光電傳感器在自動生產線中的應用 [J].現代信息科技，2021，5（14）：162-164+169.

作者簡介：覃勝林（2001—），男，漢族，廣西梧州人，本科在讀，研究方向：專業電子封裝技術；通訊作者：岳高（1987—），男，漢族，四川綿陽人，講師，工學博士，研究方向：電子束表面處理、金屬高溫腐蝕防護與自動化設計。