段向軍，杜明旭，徐開軍

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046）

現(xiàn)有螺絲的安裝設(shè)備（裝置）有兩種：一種是電動(dòng)或風(fēng)動(dòng)把式螺絲刀，另一種是產(chǎn)品?？顚Ｓ?，能夠自動(dòng)輸送螺絲和裝配螺絲的自動(dòng)螺絲裝配機(jī)。自動(dòng)螺絲裝配機(jī)具備高效率、高可靠性、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化裝配的電子行業(yè)、機(jī)械行業(yè)等各行業(yè)使用非常廣泛。本文所涉及的是一種自動(dòng)螺絲裝配機(jī)，該機(jī)械能夠完成螺絲的自動(dòng)輸送和在平面上按照要求自動(dòng)裝配螺絲，具有很強(qiáng)的代表性?；诤屠麜r(shí)公司自動(dòng)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)了該自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用2臺(tái)PLC[1-4]分別控制鎖絲輸送機(jī)和二維定位機(jī)械手，并實(shí)現(xiàn)通信，系統(tǒng)具有上位機(jī)監(jiān)控功能?；谠摽刂葡到y(tǒng)，螺絲輸送裝配機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，裝配螺絲效率高、錯(cuò)誤率低，對(duì)于在二維平面工作臺(tái)完成螺絲的自動(dòng)裝配，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 自動(dòng)螺絲輸送裝配工藝

自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)分為自動(dòng)螺絲輸送機(jī)及鎖絲扳手、X-Y螺絲裝配定位機(jī)械手和報(bào)警監(jiān)控裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the screw transport and assembly machine

自動(dòng)螺絲輸送機(jī)由螺絲輸送機(jī)構(gòu)和鎖絲扳手組成。其主要功能為設(shè)備啟動(dòng)后，待X-Y螺絲裝配機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，判斷直振器上是否有螺絲，如果檢測(cè)到螺絲，并接收到X_Y螺絲定位機(jī)械手的裝配請(qǐng)求信號(hào)，直接啟動(dòng)出料閥和吹料閥，向螺絲刀電批供螺絲，如果直振器上沒有檢測(cè)到螺絲，啟動(dòng)料筒、毛刷電機(jī)和直振器直到檢測(cè)到螺絲為止。X-Y螺絲裝配定位機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)包括Y軸滑臺(tái)絲杠副、X軸滑臺(tái)絲杠副和螺紋孔板（代表螺絲裝配工作面）。X軸上裝有螺紋孔板進(jìn)行前后位置的移動(dòng)，Y軸上裝有螺絲機(jī)鎖批頭，進(jìn)行左右位置的移動(dòng)，X軸和Y軸裝置可以同時(shí)動(dòng)作到指定的螺絲孔位置完成二維平面定位并進(jìn)行螺絲的裝配。X軸和Y軸滑臺(tái)上應(yīng)分別裝有限位開關(guān)和參考點(diǎn)開關(guān)，已知X軸和Y軸絲杠副的導(dǎo)程均為10 mm。

2 自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體控制方案

考慮系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)、設(shè)備工作流程，自動(dòng)螺絲輸送機(jī)的控制屬于順序控制；X-Y螺絲裝配定位機(jī)械手應(yīng)具有較高的定位精度，所以X-Y螺絲裝配定位機(jī)械手采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成精確定位?？刂葡到y(tǒng)采用兩臺(tái)可編程控制器（PLC）分別控制自動(dòng)螺絲輸送機(jī)和X-Y螺絲裝配定位機(jī)械手，自動(dòng)螺絲輸送機(jī)PLC做主站，X-Y螺絲裝配機(jī)械手PLC做從站；兩臺(tái)控制器之間通過Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線[5]完成通訊；另外，選用人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)工作模式選擇、手動(dòng)模式下對(duì)系統(tǒng)各裝置的控制、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控等功能。自動(dòng)螺釘裝配機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system

HMI與主站PLC相連，主站PLC與從站PLC通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；由HMI實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、參數(shù)修改、狀態(tài)監(jiān)控，其中觸摸屏與從站PLC的數(shù)據(jù)交換需要通過主站PLC以及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊協(xié)助完成；主站PLC控制螺釘輸送裝置及鎖付機(jī)，并且完成通訊管理；從站PLC控制X軸和X軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按要求動(dòng)作。主站PLC選用LM3107，從站PLC選用LM3106，通訊模塊選用LM3400[6]，選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)56BYG250C-0241，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選用 SH20504[7]，HMI選用 HT7700T。

2.2 螺絲輸送機(jī)及鎖絲扳手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

螺絲輸送機(jī)及鎖絲扳手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)工作流程分析、I/O點(diǎn)數(shù)確定、元件清單、I/O地址分配、電氣圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試等工作。這里需要指出，系統(tǒng)工作模式選擇及手動(dòng)單步控制信號(hào)均由觸摸屏標(biāo)準(zhǔn)按鈕構(gòu)件輸入，在編寫控制程序時(shí)，需要定義與相關(guān)按鈕對(duì)應(yīng)的變量地址。自動(dòng)控制程序流程圖如圖3所示。

2.3 X-Y螺絲裝配機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)適用于精確調(diào)速和定位的場(chǎng)合：通過脈沖的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，通過脈沖的個(gè)數(shù)控制電機(jī)角位移量，達(dá)到精確定位的目的。同樣，在手動(dòng)模式下，通過操作觸摸屏上的標(biāo)準(zhǔn)按鈕對(duì)其進(jìn)行控制，編程時(shí)需要定義與相關(guān)按鈕對(duì)應(yīng)的變量地址。

1）控制算法分析

圖3 自動(dòng)螺絲輸送機(jī)控制程序流程圖Fig.3 Flow chart of program for the screw transport machine

已知孔距s=15 mm、導(dǎo)程l=10 mm、步進(jìn)電機(jī)步距角α=1.8°、細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為n=8，可以計(jì)算出由當(dāng)前點(diǎn)到相鄰的下一點(diǎn)X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù)為：

同理只要測(cè)出X軸、Y軸與原點(diǎn)的距離，就可以計(jì)算出從原點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的脈沖數(shù)。

在每個(gè)坐標(biāo)軸方向上，分別定義數(shù)組Xn_array和Yn_array；Xn_array存儲(chǔ)X軸的第幾個(gè)點(diǎn)的整數(shù)值；Yn_array存儲(chǔ)Y軸的第幾個(gè)點(diǎn)的整數(shù)值。

下面以X軸為例，闡述由當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)所需脈沖數(shù)的計(jì)算。一種情況是當(dāng)前點(diǎn)即為原點(diǎn)，則總脈沖數(shù)等于第一個(gè)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的脈沖數(shù)加上當(dāng)前點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的脈沖數(shù)，用公式可表示為：

其中，X_NUM為總脈沖數(shù)，X_PY為當(dāng)前點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的脈沖數(shù)，Xmbd為X軸上目標(biāo)點(diǎn)整數(shù)坐標(biāo)，Xdqd為X軸當(dāng)前點(diǎn)整數(shù)坐標(biāo)。

另一種情況是當(dāng)前點(diǎn)非原點(diǎn)，即已經(jīng)運(yùn)行到了某個(gè)點(diǎn)上，則總脈沖數(shù)的計(jì)算公式為：

另外非常重要的一點(diǎn)，由于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)控制方式為開環(huán)控制，系統(tǒng)無(wú)法獲取在異常情況下鎖批組建的準(zhǔn)確位置，所以在系統(tǒng)復(fù)位和手動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)采用一直向步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖的方式（PWM，脈沖個(gè)數(shù)不定）；在正常工作模式下，可以向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送確定數(shù)量的脈沖（PTO）。

2）自動(dòng)控制程序流程圖

圖4 X-Y軸定位機(jī)械手自動(dòng)控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of program for the X-Y position manipulator

2.4 通訊網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，主從站PLC需要交換的信息包括裝配標(biāo)志位、手自動(dòng)選擇位、手動(dòng)模式下各種控制位、X軸Y軸當(dāng)前點(diǎn)、脈沖數(shù)量信息、頻率信息等。其中，手自動(dòng)選擇位、手動(dòng)模式下各種控制位、脈沖數(shù)量信息、頻率信息可以通過觸摸屏發(fā)送給主站PLC，主站PLC再將與從站相關(guān)的信息寫給從站。

LM3400為和利時(shí)LM系列PLC中最新的一員。作為擴(kuò)展串口通訊模塊，LM3400支持Modbus-RTU主站和從站通訊協(xié)議，通過在PLC程序中調(diào)用相應(yīng)的功能塊可以方便的進(jìn)行設(shè)置和使用。主從站的通訊利用串口通訊指令EXT_RS232_MASTER實(shí)現(xiàn)，具體通信程序不再詳述。

2.5 上位機(jī)組態(tài)監(jiān)考的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)觸摸屏采用HT7700T，基于HT7000組態(tài)軟件[8]完成上位機(jī)組態(tài)監(jiān)考。自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)組態(tài)監(jiān)考功能實(shí)現(xiàn)的工作過程分為工程分析、制作工程畫面、定義數(shù)據(jù)對(duì)象、動(dòng)畫連接、設(shè)備鏈接、編寫腳本程序。用戶窗口應(yīng)包括自動(dòng)螺釘輸送機(jī)監(jiān)控畫面和X-Y軸移動(dòng)機(jī)械手監(jiān)控畫面；另外，螺釘裝配狀態(tài)單獨(dú)用一畫面顯示；采用一個(gè)脈沖數(shù)和頻率的參數(shù)設(shè)置窗口，共包括四個(gè)窗口。工程應(yīng)包含3個(gè)策略：?jiǎn)?dòng)策略、退出策略、循環(huán)策略。圖5為螺絲輸送機(jī)監(jiān)控畫面。

圖5 螺絲輸送機(jī)監(jiān)控畫面Fig.5 Monitor screen of the screw transport machine

3 結(jié) 論

文中綜合運(yùn)用PLC技術(shù)、HMI技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)螺絲輸送裝配機(jī)控制系統(tǒng)，闡述了控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、螺絲輸送機(jī)和定位機(jī)械手兩個(gè)分控制系統(tǒng)、基于Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、工作效率高，可以按照指定位置裝配螺絲，裝配錯(cuò)誤率低，并具有自動(dòng)糾錯(cuò)功能。對(duì)于在二維平面自動(dòng)裝配螺絲，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

[1]Hollias LM系列PLX軟件手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2008.

[2]Hollias LM系列PLX硬件手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2008.

[3]Hollias LM系列PLX指令手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2008.

[4]Hollias LM系列PLX選型手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2006.

[5]郭瓊.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]Hollias LM3400使用手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2012.

[7]Hollias步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2011.

[8]HollySys HT7000CN軟件手冊(cè)[Z].和利時(shí)公司，2008.