于洪增，耿 華

(1.大連豪森設(shè)備制造有限公司 機(jī)械設(shè)計(jì)部，遼寧 大連 116036；2.一汽-大眾汽車有限公司 規(guī)劃部，長(zhǎng)春 130011)

基于軟PLC控制的擺動(dòng)式夾緊反力臂裝置設(shè)計(jì)

于洪增1，耿 華2

(1.大連豪森設(shè)備制造有限公司 機(jī)械設(shè)計(jì)部，遼寧 大連 116036；2.一汽-大眾汽車有限公司 規(guī)劃部，長(zhǎng)春 130011)

針對(duì)傳統(tǒng)擰緊機(jī)構(gòu)在擰緊過(guò)程中自動(dòng)化程度低，擰緊不可靠等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂裝置。詳細(xì)描述了該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)施。該裝置的控制方式應(yīng)用了一種基于西門(mén)子PC677工控機(jī)的軟PLC模塊，對(duì)在該裝置中進(jìn)行擰緊的工件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋,同時(shí)對(duì)工件的動(dòng)作進(jìn)行校正和控制。整個(gè)系統(tǒng)可以在軟PLC的控制下，快速、準(zhǔn)確地完成工件的夾緊、螺栓擰緊等操作，較好地替代了傳統(tǒng)PLC。目前該裝置已用于裝配線上試運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

擺動(dòng)式; 氣動(dòng)夾緊; 反力臂；軟PLC

0 引言

在汽車行業(yè)，螺紋連接是最重要的連接方式之一，隨著我國(guó)汽車工業(yè)配件需求量劇增，因而對(duì)汽車工業(yè)配件加工過(guò)程的質(zhì)量及效率的要求也不斷提高，在汽車配件加工的過(guò)程中，需要各種輔助裝置，擰緊機(jī)構(gòu)就是一種常用的，而且非常重要的輔助機(jī)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)擰緊機(jī)構(gòu)的研究還主要依賴于國(guó)外，同國(guó)外相比還存在很大差距[1-2]。

國(guó)內(nèi)專家和學(xué)者對(duì)擰緊機(jī)也進(jìn)行了深入的研究，根據(jù)不同的工況設(shè)計(jì)了多種擰緊機(jī)。林曉磊等[3]為解決球閥機(jī)械密封螺栓的自動(dòng)化投退問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有變矩功能的三軸擰緊機(jī)。丁蘇赤等[4]針對(duì)不同品種不同節(jié)距的履帶以及人工擰緊履帶效率低下和不可靠性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了四軸履帶螺栓擰緊機(jī)系統(tǒng)。林巨廣等[5]以機(jī)械手為支架，滑塊導(dǎo)軌為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種變矩雙軸螺栓擰緊機(jī)。屈創(chuàng)等[6]設(shè)計(jì)了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓聯(lián)接的四軸擰緊機(jī)。然而，之前的擰緊機(jī)構(gòu)，都缺乏反力臂機(jī)構(gòu)，操作工人的安全性沒(méi)有保證，并且會(huì)出現(xiàn)僅靠操作人員的力量無(wú)法完成擰緊任務(wù)的情況。忽略了精確對(duì)中機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速而又準(zhǔn)確的定位操作，延緩了生產(chǎn)效率。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文提出了一種擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)，反力臂能幫助操作者很輕松地提升擰緊工具，并且可以抵消擰緊螺栓時(shí)產(chǎn)生的反作用力，以保護(hù)操作者。采用氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，不但具有報(bào)警設(shè)計(jì)，在氣壓下降到一定程度，啟動(dòng)自鎖功能，防止機(jī)械臂下降，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。該機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，而且提高了可靠性和裝配效率，更有效地保證了裝配質(zhì)量。

1 擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。該機(jī)構(gòu)主要由三部分組成：夾緊組件，擰緊組件和輔助組件。

夾緊組件：傳統(tǒng)的夾緊機(jī)構(gòu)大多采用偏心夾緊和螺旋夾緊的方式，該方式夾緊效率低，費(fèi)力，且操作不方便。本文采用氣動(dòng)夾緊方式，通過(guò)夾緊扇形盤(pán)間接地執(zhí)行夾緊動(dòng)作，使用氣動(dòng)夾緊操作方便、夾緊迅速、更加省力，而且可以縮短輔助時(shí)間，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)率，此外，采用氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，不但具有報(bào)警設(shè)計(jì)，在氣壓下降到一定程度，啟動(dòng)自鎖功能，防止機(jī)械臂下降，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，安全性也得到了提高。采用間接夾緊方式，對(duì)工件也起到了保護(hù)作用。

反力臂擰緊組件：反力臂機(jī)構(gòu)設(shè)置在支撐架上，反力臂擰緊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軸向竄動(dòng)，扇形盤(pán)與反力臂擰緊機(jī)構(gòu)可一同轉(zhuǎn)動(dòng)，且扇形盤(pán)與反力臂擰緊機(jī)構(gòu)之間可在反力臂擰緊機(jī)構(gòu)的軸向上相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反力臂擰緊機(jī)構(gòu)的末端設(shè)置有推進(jìn)把手，反力臂擰緊機(jī)構(gòu)的前端則設(shè)置有兩個(gè)定位軸，反力臂擰緊機(jī)構(gòu)工作的按鈕安裝在支撐架上。這種擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)反力臂擰緊機(jī)構(gòu)的快速找準(zhǔn)對(duì)正，并利用空氣抱死裝置讓反力臂擰緊機(jī)構(gòu)定位，最終實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的擰緊操作，且不需要操作者協(xié)助提供反力臂，所產(chǎn)生的反向力通過(guò)支撐架傳遞給了機(jī)架，因此本裝置不僅可以提高工作效率，而且還能夠降低工人的勞動(dòng)。它具備了多種優(yōu)點(diǎn)，特別適合于在本領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

輔助組件：機(jī)架、托盤(pán)與輥道、支撐架、推進(jìn)把手和定位軸等輔助組件，主要作用就是承載主要組件，傳輸和運(yùn)送零件。

1.輥道 2.機(jī)架 3.托盤(pán) 4.支撐架圖1 帶有反力臂擰緊機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

5.擺動(dòng)把手 6.擺桿7.扇形盤(pán) 8.空氣抱死裝置 9.反力臂擰緊機(jī)構(gòu)10.推進(jìn)把手 11.定位軸 12.工作把手 13.按鈕
圖2 擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂裝置工作過(guò)程如下：

(1)將需要進(jìn)行裝配或安裝的工件放置在托盤(pán)上，在輥道的作用下行進(jìn)至機(jī)架的工作位置處；

(2)操作人員把持著擺動(dòng)把手驅(qū)動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)反力臂擰緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，在反力臂擰緊機(jī)構(gòu)端頭處設(shè)置有兩個(gè)定位軸，讓定位軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與工件上開(kāi)設(shè)的定位孔相配的角度；

(3)空氣抱死裝置工作，將扇形盤(pán)夾緊并定位，扇形盤(pán)和反力臂擰緊機(jī)構(gòu)均無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，然后操作人員用另一只手推動(dòng)推進(jìn)把手，讓反力臂擰緊機(jī)構(gòu)軸向運(yùn)動(dòng)，使其工作端與待擰緊的螺栓端頭相接觸；

(4)操作人員通過(guò)按鈕控制反力臂擰緊機(jī)構(gòu)工作，將螺栓擰緊，完成兩個(gè)不同工件的連接。

在上述擰緊過(guò)程中，其擰緊操作所產(chǎn)生的反向力通過(guò)支撐架傳遞到機(jī)架上，不需要操作者協(xié)助提供，解決了操作人員需要承擔(dān)部分反向力的問(wèn)題。

3 基于PC的軟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC技術(shù)具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用性廣并且使用簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。但其缺點(diǎn)也較明顯，其體系結(jié)構(gòu)不夠開(kāi)放，網(wǎng)絡(luò)通訊功能不強(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力較弱。軟PLC是以PC為硬件平臺(tái)，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC功能，不僅具備傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)，而且具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能較好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的要求[9-13]。因此軟PLC技術(shù)已經(jīng)成為目前國(guó)際工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域逐漸興起的一門(mén)新型控制技術(shù)。本裝置采用軟PLC控制技術(shù)。軟PLC的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟PLC的控制結(jié)構(gòu)圖

本擰緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的核心部件為西門(mén)子PC677工控機(jī)內(nèi)部的軟PLC模塊，結(jié)合觸摸屏(即人機(jī)界面)、伺服單元、伺服電機(jī)及扭矩傳感器共同實(shí)現(xiàn)控制功能。

該系統(tǒng)的主程序主要由初始化、高速擰緊、低速擰緊、卸載等組成。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及操作方便等特點(diǎn)。程序框圖如圖4所示。

該結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)需要根據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面根據(jù)需要完成螺紋緊固時(shí)的動(dòng)作和工序類型，在進(jìn)行螺紋擰緊時(shí)，首先需要操作工人手動(dòng)操作轉(zhuǎn)動(dòng)反力臂把手，然后將擰緊裝置對(duì)準(zhǔn)螺母進(jìn)行擰緊。另一方面要考慮整個(gè)車間和工廠內(nèi)部控制系統(tǒng)間的兼容性，以便能夠融入整個(gè)控制網(wǎng)，方便集中管理。部分控制程序框圖如圖5所示。

通過(guò)對(duì)基于PC的軟PLC控制方法的研究，結(jié)合該擺動(dòng)式氣動(dòng)加緊反力臂機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，將軟PLC應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，螺紋擰緊工位在該裝配線中是一個(gè)自動(dòng)工位，該工位的控制系統(tǒng)集成在一個(gè)控制柜中，其控制系統(tǒng)原理如圖6所示?；诠た貦C(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以西門(mén)子PC677為控制單元，通過(guò)與多個(gè)通訊接口相連接，可以分別控制多個(gè)外圍設(shè)備，同時(shí)能夠控制6個(gè)螺紋擰緊工位的動(dòng)作，通過(guò)通訊模塊，每個(gè)工位現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)PC677，主要用來(lái)顯示監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警，備用的ET200S安全I(xiàn)/O模塊，用于應(yīng)急，該設(shè)備用于接外部設(shè)備、RFID射頻識(shí)別裝置等。

圖4 系統(tǒng)主程序框圖

圖5 部分控制程序框圖

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

4 設(shè)備性能測(cè)試

設(shè)備在生產(chǎn)線上安裝成功之后，對(duì)設(shè)備的多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)，具體指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)備性能指標(biāo)

測(cè)試結(jié)果表明：該反力臂擰緊機(jī)構(gòu)，重復(fù)擰緊精度高，節(jié)拍高，擰緊、壓靠過(guò)程穩(wěn)定，布局了多個(gè)接近開(kāi)關(guān)，能夠有效保護(hù)對(duì)操作者的安全。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)夾緊組件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了擰緊機(jī)的自動(dòng)對(duì)中，通過(guò)在結(jié)構(gòu)中加入反力臂擰緊組件，提高了擰緊機(jī)的安全性和可靠性，縮短了擰緊節(jié)拍。解決了傳統(tǒng)擰緊機(jī)擰緊過(guò)程缺少反力臂機(jī)構(gòu)和自動(dòng)對(duì)中的問(wèn)題。采用一種基于西門(mén)子工控機(jī)IP677的軟PLC控制方式，提高了各級(jí)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)信息的傳輸和運(yùn)算能力，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功通過(guò)各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試，并在裝配線上進(jìn)行試運(yùn)行，目前為止運(yùn)行狀態(tài)良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

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(編輯 李秀敏)

The Design of Anti-arm Swing Clamping Device Based on the Soft-PLC Control

YU Hong-zeng1，GENG Hua2

(1.Mechanical Design Department, Dalian Haosen Equipment Manufacture Co., Ltd., Dalian Liaoning 116036, China;2.Planning Department,FAW-Volkswagen Automotive Co., Ltd.,Changchun 130011, China)

During the screwing process, the traditional anti-arm screwing mechanism can′t finish the location and screwing automatically, the paper proposed an anti-arm swing pneumatic clamping device. The structure designing, working principle and control system of the device are described in detail. Moreover a soft PLC controlling method based on Siemens PC677 was applied for this device, which can detect, feedback, rectify and control the work exactly. Ultimately it can finish the process of clamping and screwing quickly and accurately, replace the traditional PLC well. The whole system has been run in assembly line, the system works normally, and the control system running is stable.

swing; pneumatic clamping; anti-arm; soft-PLC

1001-2265(2017)08-0114-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.029

2017-02-13；

2017-03-17

于洪增(1981—)，男，遼寧大連人，大連豪森設(shè)備制造有限公司，碩士，研究方向?yàn)樽兯傧?、發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)裝配線設(shè)計(jì)，(E-mail) yuhong-zeng@haosen.com.cn.

TH162;TG65

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