楊　寧，何　峰，任俊波

(大連豪森設(shè)備制造有限公司 a.總經(jīng)理辦公室；b.電氣設(shè)計(jì)部，遼寧 大連　116036)

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基于軟PLC的摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)*

楊寧a，何峰b，任俊波b

(大連豪森設(shè)備制造有限公司 a.總經(jīng)理辦公室；b.電氣設(shè)計(jì)部，遼寧 大連116036)

針對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線，托盤回轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)效率低，旋轉(zhuǎn)精度不高的問(wèn)題，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易控制的摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置。詳細(xì)描述了回轉(zhuǎn)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及控制的實(shí)施。該裝置由生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，控制系統(tǒng)以西門子工控機(jī)IPC677的軟PLC模塊為控制核心，對(duì)該工位的動(dòng)作(狀態(tài))進(jìn)行監(jiān)控。軟PLC較傳統(tǒng)PLC大大增加了控制的靈活性。目前該裝置已經(jīng)成功應(yīng)用在生產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)了裝配工件的高精度角度旋轉(zhuǎn)，提高了生產(chǎn)線效率。同時(shí)也大大提高了裝配線的自動(dòng)化程度，促進(jìn)了自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的發(fā)展。

摩擦式回轉(zhuǎn)裝置；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；軟PLC

0　引言

在發(fā)動(dòng)起裝配生產(chǎn)線上，時(shí)常需要對(duì)工件多方向上進(jìn)行裝配操作，但工位上操作裝置相對(duì)固定，因此需要通過(guò)對(duì)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以滿足對(duì)工件多方向進(jìn)行裝配操作。傳統(tǒng)的工件旋轉(zhuǎn)是通過(guò)該工位工人對(duì)工件所在的托盤進(jìn)行手動(dòng)旋轉(zhuǎn)、定位，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的多個(gè)方向的操作。這種方法耗費(fèi)人力，影響自動(dòng)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)節(jié)拍，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)于快節(jié)奏的生產(chǎn)要求[1-2]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也提出了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如王遠(yuǎn)志提出氣缸為驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[3]、周建東提出油缸為驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[4]、湛立明改進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[5]等，以上提出的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)速度慢且不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)定位精度不高，無(wú)法運(yùn)用于有高精度要求的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上，而在自動(dòng)化裝配線上，一個(gè)特定工位上如何實(shí)現(xiàn)工位零件多角度的精確快速旋轉(zhuǎn)，是提高轉(zhuǎn)配線裝配效率，提高裝配線自動(dòng)化程度需要解決的十分重要的問(wèn)題[6-8]。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問(wèn)題，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠快速、自動(dòng)、準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)托盤按照所需角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置。

1　摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置組成與工作原理

摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分，第一部分為摩擦盤帶有電機(jī)的主動(dòng)部分；第二部分為摩擦盤帶有角度編碼器的從動(dòng)部分，裝置兩大部分除了包括主動(dòng)部分的電機(jī)和從動(dòng)部分的角度編碼器以外，還包括固定架、氣缸、活動(dòng)支架、摩擦盤。主動(dòng)部分固定支架為第一固定支架，在第一固定架上設(shè)置有第一氣缸，第一氣缸的工作端上設(shè)置有第一活動(dòng)支架，第一活動(dòng)支架上設(shè)置有主動(dòng)電機(jī)，主動(dòng)電機(jī)的工作端上設(shè)置有第一摩擦盤。第一支架通過(guò)緊固件固定在基座上，第一氣缸和支架通過(guò)緊固件固定連接，活動(dòng)支架固定在氣缸工作端上并可以隨著氣缸工作端伸縮，通過(guò)電機(jī)支架把電機(jī)固定在活動(dòng)支架上，同時(shí)摩擦盤與電機(jī)軸之間為過(guò)盈配合。該主動(dòng)部分主要可以實(shí)現(xiàn)使電機(jī)可隨活動(dòng)支架一起沿氣缸工作端伸縮方向做伸縮運(yùn)動(dòng)和摩擦盤繞電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)以上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)托盤的接觸轉(zhuǎn)動(dòng)和分離兩個(gè)動(dòng)作。主動(dòng)部分詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.第一支架 2.第一摩擦盤 3.第一氣缸 4.第一活動(dòng)支架 5.主動(dòng)電機(jī)

從動(dòng)部分固定架為第二固定架，在第二固定架上設(shè)置有和主動(dòng)部分相同的第二氣缸，第二氣缸的工作端上設(shè)置有第二活動(dòng)支架，第二活動(dòng)支架上設(shè)置有角度編碼器，角度編碼器設(shè)置在第二活動(dòng)支架上，角編碼器軸上設(shè)置有第二摩擦盤，其各部分之間的固定方式與主動(dòng)部分類似，從動(dòng)部分主要實(shí)現(xiàn)編碼器和固定架氣缸工作端伸縮方向進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，通過(guò)該伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)編碼器上的第二摩擦盤與旋轉(zhuǎn)托盤進(jìn)行接觸和分離，并可以借助兩者之間接觸的摩擦力，帶動(dòng)編碼器上摩擦盤旋轉(zhuǎn)，從而測(cè)得旋轉(zhuǎn)托盤的旋轉(zhuǎn)角度。從動(dòng)部分詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

1.第二氣缸 2.第二支架 3.第二活動(dòng)支架 4.角編碼器 5.第二摩擦盤

對(duì)于主動(dòng)部分與從動(dòng)部分安裝配合使用時(shí)，需要將第一摩擦盤和第二摩擦盤盡量安裝位于同一水平面上，并盡量在旋轉(zhuǎn)托盤的徑向兩端，這樣便于與托盤邊緣接觸實(shí)現(xiàn)托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)和角度的精確控制。并且上述的第一氣缸、主動(dòng)電機(jī)、第二氣缸和角度編碼器均通過(guò)控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，以實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制，真正提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置主動(dòng)部分與從動(dòng)部分安裝的相對(duì)位置如圖3所示。

1.第一支架 2.第二支架 3.第一氣缸 4.第一活動(dòng)支架

該托盤回轉(zhuǎn)裝置主要通過(guò)摩擦力使托盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)和角度控制。在初始狀態(tài)下，第一氣缸和第二氣缸均處于回收狀態(tài)，以保證兩個(gè)摩擦盤不會(huì)在旋轉(zhuǎn)托盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與旋轉(zhuǎn)托盤發(fā)生碰撞，當(dāng)旋轉(zhuǎn)托盤運(yùn)動(dòng)到位后被運(yùn)輸輥道上的定位裝置定位并固定，然后此工位的裝置對(duì)旋轉(zhuǎn)托盤上的工件進(jìn)行裝配或加工，當(dāng)需要對(duì)工件其他方向的部分進(jìn)行裝配或加工時(shí)，第一氣缸和第二氣缸工作，分別帶動(dòng)第一活動(dòng)支架和第二活動(dòng)支架向托盤所在的方向運(yùn)動(dòng)，直至第一摩擦盤和第二摩擦盤分別與旋轉(zhuǎn)托盤上圓形轉(zhuǎn)盤的外邊緣接觸，然后主動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)第一摩擦盤轉(zhuǎn)動(dòng)，第一摩擦盤與旋轉(zhuǎn)托盤在摩擦力的作用下，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，與轉(zhuǎn)盤相接觸的第二摩擦盤也會(huì)做相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，角度編碼器就可以根據(jù)第二摩擦盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度換算出托盤的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并將其數(shù)據(jù)發(fā)送給控制系統(tǒng)，從而得到旋轉(zhuǎn)角度的精確控制。

2　回轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制主要應(yīng)用一種基于西門子工控機(jī)IPC677的軟PLC模塊。軟PLC是集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、儀表技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為一體的新型控制技術(shù)，它是以PC為硬件平臺(tái)，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC的功能。與傳統(tǒng)的PLC相比，具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，可允許用戶根據(jù)需求，靈活擴(kuò)展系統(tǒng)功能[9-10]。軟PLC主要由編程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)三部分組成，其中編程系統(tǒng)以PC機(jī)為載體主要完成PLC程序設(shè)計(jì)、仿真；而運(yùn)行系統(tǒng)所在的下位機(jī)主要對(duì)程序進(jìn)行運(yùn)行以及對(duì)I/O接口控制；I/O系統(tǒng)則提供與目標(biāo)設(shè)備的接口。PC機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)行系統(tǒng)則通過(guò)串口與編程系統(tǒng)的PC進(jìn)行通訊以及對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制，軟PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。通過(guò)使用軟PLC對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行控制，大大增加了控制的靈活性，降低了研發(fā)成本。

回轉(zhuǎn)裝置的控制當(dāng)中，軟PLC的監(jiān)控功能對(duì)回轉(zhuǎn)裝置各模塊進(jìn)行監(jiān)控，并把運(yùn)行系統(tǒng)上輸入模塊反饋的氣缸、電機(jī)、編碼器相關(guān)信息通過(guò)通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)控制計(jì)算給出對(duì)氣缸、電機(jī)等的相應(yīng)控制。

圖4　軟PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分中，第一氣缸、主動(dòng)電機(jī)、第二氣缸和角度編碼器均通過(guò)控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，當(dāng)該工位需要進(jìn)行多方向操作時(shí)，控制系統(tǒng)控制主動(dòng)部分和從動(dòng)部分的氣缸伸出，當(dāng)兩個(gè)摩擦盤都與旋轉(zhuǎn)托盤接觸以后，主動(dòng)電機(jī)開(kāi)始帶動(dòng)第一摩擦盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，角度編碼器對(duì)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)的第二摩擦盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行采集反饋，控制系統(tǒng)通過(guò)角編碼器反饋的角度信息實(shí)時(shí)對(duì)主動(dòng)部分電機(jī)進(jìn)行速度快慢、啟停、正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。當(dāng)需要操作相對(duì)于目前工位有一定角度的另一位置時(shí)，系統(tǒng)給出角度值，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋的角度對(duì)電機(jī)進(jìn)行慢-快-慢的控制，減小裝置啟動(dòng)和停止時(shí)旋轉(zhuǎn)托盤慣性對(duì)電機(jī)的沖擊，增加整個(gè)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和精確性。另外在每次旋轉(zhuǎn)托盤位置操作時(shí)，控制系統(tǒng)規(guī)定以最小角度的方向?yàn)樾D(zhuǎn)方向，因此每次旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)都會(huì)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判定，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。不僅實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間還增加整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。通過(guò)對(duì)電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)方向優(yōu)化控制，最終不僅減少控制過(guò)程時(shí)間、增加效率，還提高了旋轉(zhuǎn)角度的精度和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置控制過(guò)程如圖5所示。

圖5　摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置控制過(guò)程

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出一種摩擦式托盤回轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)置的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該轉(zhuǎn)置已經(jīng)

在裝配線上實(shí)際實(shí)施及測(cè)試，實(shí)踐證明該裝置可以實(shí)現(xiàn)高精度、快速的工件角度變換，并且可通過(guò)簡(jiǎn)單可靠的方式與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，由控制系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行控制，該裝置不僅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)具有制作工藝簡(jiǎn)單，制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在自動(dòng)化裝配線中推廣應(yīng)用，其市場(chǎng)前景十分廣闊。

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(編輯李秀敏)

Structure Design of a Rotary Tray Device of The Friction Type Base on Soft PLC

YANG Ninga，HE Fengb，REN Jun-bob

(a.General Manager Office; b.Electrical Design Department ,Dalian Haosen Equipment Manufacture Co., Ltd.,Dalian Liaoning 116036, China)

In order to solve the problem, such as complicated operation, delay the production cycle etc, caused by the rotation of a workpiece on engine assembly line. The paper shows a simple and automated device that it can make the workpiece rotation use friction between the friction disk and tray. This paper describes composition and working principle of the rotary device in detail. The device is a unified control by the control system of production line. The soft PLC module of the SIEMENS industrial PC IPC677 is applied as the core of control system. The device not only reduces the labor force, accelerate the pace of production, but also control the angle of rotation accurately. The device improves the automation and promotes development of automatic assembly.

friction rotary device; mechanism design; soft PLC

1001-2265(2016)09-0110-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.031

2015-10-14；

2015-12-08

遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201408001)

楊寧(1975—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，大連豪森設(shè)備制造有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，(E-mail)yangning@haosen.com.cn。

TH122;TG65

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