彭 洋，余曉流，談莉斌

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243032)

0 引言

目前，對回轉(zhuǎn)支承的裝配大多采用傳統(tǒng)的人工方式，通過人力使回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)以便滾動體的裝填，這種方式勞動強(qiáng)度大，裝配質(zhì)量差；同時(shí)，對回轉(zhuǎn)支承的檢測大多采用人工操作百分表、塞尺等簡單儀器的方式，檢測強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，且這種人工裝配和檢測方式對大型回轉(zhuǎn)支承很難完成。而現(xiàn)有的回轉(zhuǎn)支承裝配和檢測裝置較少，主要針對某些特定型號和尺寸的回轉(zhuǎn)支承，檢測項(xiàng)目單一，且需要配合簡單儀器進(jìn)行檢測，自動化程度低。針對上述問題，提出了基于PLC的回轉(zhuǎn)支承裝配檢測臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為動力元件，傳感器為檢測元件，來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的裝配和多參數(shù)(軸向間隙、徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩)檢測，以提高回轉(zhuǎn)支承的裝配質(zhì)量和檢測精度。

1 裝配檢測臺結(jié)構(gòu)和工藝流程

1.1 裝配檢測臺結(jié)構(gòu)

裝配檢測臺以內(nèi)齒式或外齒式非風(fēng)電回轉(zhuǎn)支承為對象，一方面可完成回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈和滾動體的裝配，另一方面可用于回轉(zhuǎn)支承軸向間隙、徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩的檢測。

據(jù)此，設(shè)計(jì)完成的裝配檢測臺結(jié)構(gòu)主要包括軸向模塊、徑向模塊和旋轉(zhuǎn)模塊，如圖1所示為回轉(zhuǎn)支承裝配檢測臺示意圖。

圖1 回轉(zhuǎn)支承裝配檢測臺示意圖

軸向模塊有三組(360°均布)，且主要由裝夾機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)組成。裝夾機(jī)構(gòu)用于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈的三點(diǎn)裝夾定心，通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)定心運(yùn)動；頂升機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈軸向運(yùn)動，以便電渦流位移傳感器對軸向間隙的檢測，同時(shí)由于被檢測對象為大型回轉(zhuǎn)支承且軸向運(yùn)動精度對檢測結(jié)果影響大，故采用三組電動推桿同步推動頂升機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動。徑向模塊主要包括螺桿機(jī)構(gòu)、電動推桿、位移傳感器等，是用于回轉(zhuǎn)支承徑向運(yùn)動和徑向間隙檢測。旋轉(zhuǎn)模塊主要包括齒輪機(jī)構(gòu)、電機(jī)、位移傳感器和力矩傳感器等，一方面用于回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，另一方面用于齒圈跳動和空載啟動力矩的檢測。

1.2 裝配檢測臺工藝流程

裝配檢測臺工藝流程主要包括裝配模式和檢測模式，如圖2所示為裝配檢測臺工藝流程圖。

首先判斷回轉(zhuǎn)支承是內(nèi)齒還是外齒，若是內(nèi)齒則將齒輪機(jī)構(gòu)手動進(jìn)給至檢測臺內(nèi)側(cè)，裝夾機(jī)構(gòu)位于原點(diǎn)附近，若是外齒則將齒輪機(jī)構(gòu)位于外側(cè)，裝夾機(jī)構(gòu)自動進(jìn)給至內(nèi)側(cè)位置A(A距檢測臺中心距離a=200mm)，然后再選擇裝配模式或檢測模式。

1) 裝配模式：利用三組裝夾機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行裝夾定心，然后通過回轉(zhuǎn)支承的工藝孔裝填一個(gè)滾動體至滾道內(nèi)，裝填完后利用齒輪機(jī)構(gòu)帶動回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)一定角度，繼續(xù)裝填一個(gè)滾動體，如此循環(huán)，直至裝配完成，再進(jìn)入檢測模式。

2) 檢測模式分為軸向間隙、徑向間隙以及齒圈跳動和空載啟動力矩。

(1) 軸向間隙檢測：首先將三組頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)給至回轉(zhuǎn)支承有齒圈的下部確定位置，再通過頂升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的軸向運(yùn)動，最后通過位移傳感器檢測軸向位移。

(2) 徑向間隙檢測：首先將螺桿機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支承上的螺栓孔手動連接固定，再利用螺桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的徑向運(yùn)動，最后利用位移傳感器檢測徑向位移。

(3) 齒圈跳動和空載啟動力矩檢測：首先將齒輪機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支承有齒圈手動嚙合，其次通過齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，最后利用力矩傳感器檢測空載啟動力矩，同時(shí)利用位移傳感器檢測齒輪機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支承有齒圈的中心距變化，即為齒圈跳動。

圖2 裝配檢測臺工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)控制要求

根據(jù)裝配檢測臺工藝流程的分析，對其控制系統(tǒng)提出以下控制要求：

1) 初始內(nèi)外齒判斷：即裝夾機(jī)構(gòu)位置的判斷，內(nèi)齒時(shí)PLC控制裝夾機(jī)構(gòu)位于原點(diǎn)附近，外齒時(shí)PLC通過伺服驅(qū)動器控制三組進(jìn)給伺服電機(jī)運(yùn)動，電機(jī)再通過滾珠絲杠帶動裝夾機(jī)構(gòu)進(jìn)給至A處。每組裝夾機(jī)構(gòu)的行程極限和參考原點(diǎn)由接近開關(guān)控制。

2) 定心運(yùn)動：PLC控制三組進(jìn)給伺服電機(jī)運(yùn)動，電機(jī)通過滾珠絲杠帶動裝夾機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動，三組裝夾機(jī)構(gòu)同時(shí)對回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行裝夾，從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的定心運(yùn)動。

3) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：PLC通過伺服驅(qū)動器控制傳動伺服電機(jī)運(yùn)動，電機(jī)再通過減速器帶動齒輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

4) 人工輔助裝配：人工裝填一個(gè)滾動體后，PLC根據(jù)被裝配回轉(zhuǎn)支承所需的滾動體數(shù)N，控制回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)，再裝填一個(gè)滾動體，如此循環(huán)，直至裝填完成。為了操作者裝填滾動體時(shí)的安全，利用腳踏開關(guān)來判斷回轉(zhuǎn)支承是否旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，腳開關(guān)有效則旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)支承，相反則停止。

5) 軸向運(yùn)動：PLC通過伺服驅(qū)動器控制三組電動推桿帶動頂升機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動，三組頂升機(jī)構(gòu)同步對回轉(zhuǎn)支承有齒圈進(jìn)行頂升，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承軸向運(yùn)動；徑向運(yùn)動：PLC控制電動推桿帶動螺桿機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承徑向運(yùn)動。利用壓力傳感器控制軸向和徑向運(yùn)動極限位置。

6) 參數(shù)檢測和處理：PLC控制電渦流位移傳感器檢測軸向間隙、徑向間隙和齒圈跳動，控制力矩傳感器檢測空載啟動力矩，并采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由觸摸屏顯示。

3 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、觸摸屏、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、光柵尺等組成，如圖3所示為控制系統(tǒng)硬件組成。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖

PLC通過串行通信端口與觸摸屏連接，接受來自觸摸屏的輸入信號，經(jīng)過處理后，輸出脈沖控制伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，同時(shí)PLC采集傳感器信號進(jìn)行處理，并將結(jié)果由觸摸屏顯示。

根據(jù)該控制系統(tǒng)的控制要求和對控制過程的分析，PLC控制系統(tǒng)I/O端口分配如表1所示。

表1 I/O端口分配表

由PLC的I/O端口分配表可知，系統(tǒng)共有25個(gè)輸入點(diǎn)，17個(gè)輸出點(diǎn)，為了滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)，且考慮性價(jià)比等因素，最終為裝配檢測臺控制系統(tǒng)選定歐姆龍公司的CP1H-XA 40DT-D小型PLC，其內(nèi)置DC輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，且 I/O擴(kuò)展模塊選用CP1W-40EDT(24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出)。PLC輸入輸出接線圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏設(shè)計(jì)使用CX-Designer軟件，具有豐富的功能元件，且操作簡單。

觸摸屏設(shè)計(jì)包括界面創(chuàng)建和設(shè)定參數(shù)，其中界面創(chuàng)建是根據(jù)控制要求創(chuàng)建不同的界面，設(shè)定參數(shù)是把觸摸屏的功能和PLC地址之間建立相應(yīng)聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的信號傳遞。

觸摸屏界面主要由裝配界面和檢測界面組成，裝配界面是用于回轉(zhuǎn)支承的裝配控制，檢測界面又由軸向間隙、徑向間隙和齒圈以及力矩檢測界面三部分組成，用于參數(shù)的檢測控制和結(jié)果顯示。這些界面利用軟件中的ON/OFF按鈕實(shí)現(xiàn)開始和停止控制，通過數(shù)字顯示和輸入元件、數(shù)據(jù)日志圖表元件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果顯示功能，并利用命令按鈕元件實(shí)現(xiàn)各界面的切換。

如圖5所示為軸向間隙檢測界面，其中利用了四組數(shù)字顯示和輸入元件來實(shí)現(xiàn)軸向間隙數(shù)據(jù)的顯示，“開始”、“停止”O(jiān)N/OFF按鈕元件實(shí)現(xiàn)了軸向間隙檢測的開始和停止控制，“裝配”、“徑向”、“齒圈/力矩”命令按鈕元件完成了各界面間的切換。

圖4 PLC輸入輸出接線圖

圖5 軸向間隙檢測界面

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)使用CX-Programmer軟件。根據(jù)裝配檢測臺工藝流程可知，PLC程序可分為內(nèi)外齒判斷、裝配模式和檢測模式。在PLC程序編寫前，須知道PLC的控制流程，PLC控制流程是根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求制定的。

1) 內(nèi)外齒判斷PLC控制流程

圖6 內(nèi)外齒判斷PLC控制流程

如圖6所示為內(nèi)外齒判斷PLC控制流程。裝配檢測開始前需判斷回轉(zhuǎn)支承是內(nèi)齒還是外齒，若是內(nèi)齒，PLC接收到原點(diǎn)接近開關(guān)信號時(shí)，控制裝夾機(jī)構(gòu)回原點(diǎn)；若是外齒，PLC計(jì)算裝夾機(jī)構(gòu)進(jìn)給至A處電機(jī)所需脈沖數(shù)c，從而控制三組進(jìn)給電機(jī)運(yùn)動，帶動裝夾機(jī)構(gòu)進(jìn)給至A處。

2) 裝配模式PLC控制流程

如圖7所示為裝配模式PLC控制流程。裝配開始后，PLC計(jì)算進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動所需脈沖數(shù)n(通過回轉(zhuǎn)支承滾道直徑求的)，根據(jù)脈沖數(shù)PLC控制三組進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動；進(jìn)給運(yùn)動完成后PLC接收到腳開關(guān)信號，控制傳動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)計(jì)數(shù)器值N減1，若N不等于0，則繼續(xù)判斷腳開關(guān)信號，如此循環(huán)，直至N=0；裝配完成后，三組進(jìn)給電機(jī)根據(jù)原點(diǎn)接近開關(guān)信號回原點(diǎn)，同時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位。

圖7 裝配模式PLC控制流程

3) 檢測模式PLC控制流程

檢測模式PLC控制流程分為軸向間隙徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩檢測控制流程，如圖8所示。

（1）軸向間隙檢測控制流程

PLC計(jì)算三組進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動所需脈沖數(shù)m(頂升機(jī)構(gòu)進(jìn)給至有齒圈下部)，從而控制電機(jī)運(yùn)動；進(jìn)給運(yùn)動完成后，三組電動推桿開始同步運(yùn)動，同時(shí)電渦流位移傳感器開始檢測，當(dāng)PLC接收到壓力傳感器信號時(shí)，電動推桿停止運(yùn)動，同時(shí)PLC采集位移傳感器的電壓變化數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)存儲器中；PLC對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，結(jié)果由觸摸屏顯示。

（2）徑向檢測控制流程

首先PLC控制電動推桿正向運(yùn)動，同時(shí)位移傳感器開始檢測，當(dāng)接收到壓力傳感器的信號時(shí)，正向運(yùn)動停止并將此時(shí)采集的數(shù)據(jù)1存儲在數(shù)據(jù)存儲器中；其次PLC控制電動推桿反向運(yùn)動，當(dāng)接收到壓力傳感器的信號時(shí)，反向運(yùn)動停止并將此時(shí)采集的數(shù)據(jù)2也存儲在數(shù)據(jù)存儲器中；PLC對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理并由觸摸屏顯示。

（3）齒圈跳動和空載啟動力矩控制流程

PLC接收到腳開關(guān)信號后，控制傳動電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)采集電渦流位移傳感器的數(shù)據(jù)，并采集力矩傳感器的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲器中，結(jié)果由觸摸屏以圖表方式顯示。

圖8 檢測模式PLC控制流程

PLC控制系統(tǒng)的控制流程完成后，利用CXProgrammer軟件編寫相應(yīng)的PLC程序梯形圖，并調(diào)試和運(yùn)行。

4）數(shù)據(jù)運(yùn)算處理

上述PLC程序編寫過程中，有很多部分涉及到數(shù)據(jù)的四則運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算，如電機(jī)脈沖數(shù)計(jì)算、檢測數(shù)據(jù)處理等，若采用常規(guī)方法編寫程序來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，則使得程序過長和復(fù)雜，因此在此采用軟件中的功能塊來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。功能塊是通過梯級編程語言或結(jié)構(gòu)化文本(ST)語言來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)處理功能，由功能塊定義和嵌入程序中的功能塊實(shí)例組成，創(chuàng)建簡單，可反復(fù)使用，適用于復(fù)雜編程。

以下采用功能塊來實(shí)現(xiàn)內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支承裝配時(shí)進(jìn)給電機(jī)脈沖數(shù)n的計(jì)算。

對于內(nèi)齒回轉(zhuǎn)支承，裝夾機(jī)構(gòu)對外圈裝夾，因此進(jìn)給運(yùn)動距離X=L-r-R，L為裝夾機(jī)構(gòu)原點(diǎn)距檢測臺中心的距離，r為裝夾機(jī)構(gòu)的半徑，R為回轉(zhuǎn)支承外徑的一半，同時(shí)進(jìn)給電機(jī)輸出脈沖數(shù)為2500脈沖/轉(zhuǎn)，絲杠導(dǎo)程為5mm，則電機(jī)進(jìn)給運(yùn)動所需脈沖數(shù)n=500X。如圖9所示為脈沖數(shù)n計(jì)算功能塊。

圖9 脈沖數(shù)n計(jì)算功能塊

其中，功能塊采用ST語言，其計(jì)算語句為：

X:= REAL_TO_LREAL(A*B-A*C-A*D);

A、B、C、D的數(shù)據(jù)類型主要有整數(shù)INT、無符號整數(shù)UINT、實(shí)數(shù)REAL以及16位數(shù)據(jù)WORD等，在此A、B、C、D選用實(shí)數(shù)REAL類型，分別對應(yīng)于地址D 100、D110、D120、D130中的數(shù)據(jù)，X則為長實(shí)數(shù)LREAL類型，存儲于地址D140中，即為脈沖數(shù)n。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于PLC的回轉(zhuǎn)支承裝配檢測臺控制系統(tǒng)具有以下成果：

1) 完成了回轉(zhuǎn)支承裝配時(shí)內(nèi)外圈的自動定心和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以便滾動體的裝填，減少了勞動強(qiáng)度，提高了裝配質(zhì)量；

2) 實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)支承的多參數(shù)自動檢測，提高了作業(yè)效率，且利用了觸摸屏的人機(jī)界面使得操作簡單，檢測結(jié)果可視化。

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