林敏

(南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211135)

0 引言

螺絲是我們?nèi)粘Ｉ钪屑肮I(yè)生產(chǎn)中大量使用的小零件，在國內(nèi)大量的機(jī)械、電子、建筑等許多行業(yè)，都有大量的螺絲安裝工作，過去大多采用人工安裝或者手持電動螺絲刀安裝等簡單易操作，由于勞動力成本上升，如何降低企業(yè)的勞動力成本是很多企業(yè)共同思考的問題[1]。本課題設(shè)計(jì)了一種新型的具有人機(jī)交互功能的自動裝配螺絲機(jī)，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)用性較強(qiáng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 工作平臺簡介

自動裝配螺絲機(jī)如圖1所示，工作臺是由1臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可沿著X軸運(yùn)動，電動螺絲刀安裝在由另1臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可沿著Y軸運(yùn)動，通過2臺步進(jìn)電機(jī)的配合可實(shí)現(xiàn)X軸及Y軸一定行程內(nèi)的自由定位，從而將待安裝螺絲的螺孔移動到電動螺絲刀的正下方。

圖1 自動裝配的工作臺平面示意圖

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

自動裝配螺絲機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

自動裝配螺絲機(jī)主要由2臺通過通信模塊實(shí)現(xiàn)通信

圖2 自動裝配螺絲機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

聯(lián)動的PLC、2套步進(jìn)電機(jī)、1塊觸摸屏、1套鎖付機(jī)及相關(guān)的外圍機(jī)械組件構(gòu)成。PLC1為主控制器， 實(shí)現(xiàn)自動裝料、自動安裝螺絲等功能；PLC2為從站控制器，實(shí)現(xiàn)工作臺前后、左右移動到預(yù)訂安裝位置的功能。通過人機(jī)界面(觸摸屏)來實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)工作狀態(tài)，修改螺絲安裝位置等相關(guān)參數(shù)。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 送料單元設(shè)計(jì)

自動鎖螺絲機(jī)的送料單元主要實(shí)現(xiàn)將料筒里的螺絲按照順序送給電動螺絲刀以待安裝，其主要結(jié)構(gòu)組成為：料筒組件、送料組件、毛刷組件、加料組件、鎖批組件等組成(圖3)。

圖3 送料單元示意圖

2.2 X-Y螺絲裝配機(jī)械手單元的設(shè)計(jì)

X-Y 螺絲裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。其主要結(jié)構(gòu)組成為：X 軸滑臺和 Y 軸滑臺組成。

圖4 X-Y螺絲裝配機(jī)械手

2.3 控制器選型與控制系統(tǒng)搭建

根據(jù)項(xiàng)目的要求和特點(diǎn)，綜合考慮性能和經(jīng)濟(jì)性等原則后，決定主控制器選取LM3107，副控制器選取LM3106，兩機(jī)通過LM3400通訊模塊進(jìn)行通信。觸摸屏HT6700通過數(shù)據(jù)線連接到LM3107本體自帶的串口上，這樣，LM3107可以同時(shí)和HT6700、LM3106進(jìn)行通信。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)如圖5所示，以LM3107為主控制器，負(fù)責(zé)與觸摸屏、LM3106副控制器的通信，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)采集信號、輸出驅(qū)動等功能。

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

3.2 螺絲機(jī)控制

螺絲機(jī)的控制流程圖如圖6所示，開機(jī)運(yùn)行后首先進(jìn)行自檢，若自檢發(fā)生問題，則執(zhí)行相對應(yīng)的報(bào)警或者其他動作。若自檢通過，則進(jìn)一步判斷工作模式，若是手動模式，則等待讀取相應(yīng)的手動控制信號并執(zhí)行相關(guān)的操作，若是自動模式，則按照預(yù)設(shè)的工藝流程依次進(jìn)行送料、打開氣閥吹送螺絲、電動螺絲刀安裝螺絲到待安裝孔，若螺絲出現(xiàn)滑牙現(xiàn)象，則自動補(bǔ)發(fā)一顆螺絲。另外中途可以進(jìn)行人工中斷干預(yù)，即暫停和繼續(xù)，待所有螺絲均已安裝完畢后，螺絲機(jī)自動復(fù)位到原點(diǎn)停止。

圖6 螺絲機(jī)控制程序流程圖

3.3 速度控制算法

對于運(yùn)動控制系統(tǒng)來說，為了保證運(yùn)動控制的精度，不僅要求能夠?qū)Ω鱾€(gè)軸的運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確控制，同時(shí)，還必須考慮電動機(jī)啟動和停止階段的加減速控制，以減少或避免電動機(jī)在啟?；蛲蛔儠r(shí)發(fā)生震蕩、丟步或沖擊等情況[2]。

常見的速度控制算法主要有直線型加減速控制和S型加減速控制等，直線型加減速控制如圖7所示，電動機(jī)啟動時(shí)候，其速度沿一定的斜率直線上升，停止時(shí)，速度沿一定的斜率直線下降。S型加減速控制算法如圖8所示，一般主要采用的是七段式控制方法[3]。整個(gè)過程大致上可以分為加速階段、勻速階段、減速階段。相比之下，S型加減速曲線在進(jìn)入低速以及進(jìn)入最大速度的兩個(gè)過渡階段速度曲線都比較平滑，有效地降低了電動機(jī)噪聲，減少電動機(jī)抖動，提高了運(yùn)動控制的精度[4-5]。

圖7 直線加減速度控制

圖8 S型加減速度控制

傳統(tǒng)的S型加減速控制算法由于計(jì)算量很大，同時(shí)參數(shù)較為繁瑣，對硬件要求高，運(yùn)算效率不高[6]，因此采取一種變通的方法：用一離散化的形狀為S型的曲線函數(shù)來替代電機(jī)的加減速階段的速度曲線，其函數(shù)表達(dá)式如下：

(1)

式(1)為遞增函數(shù)，比較適合做加速曲線，而其對偶函數(shù)是遞減，可以用來做減速控制曲線。

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

樣機(jī)經(jīng)過12h連續(xù)運(yùn)行，每隔1h測試0.5h并記錄一次數(shù)據(jù)。測試中實(shí)際記錄結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果記錄表

自動螺絲機(jī)效率計(jì)算公式：

(2)

式中： T——測試總時(shí)間；TA—— 非本螺絲機(jī)故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間；TB—— 螺絲機(jī)故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。

實(shí)際測試結(jié)果的記錄數(shù)據(jù)經(jīng)整理計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)整理結(jié)果表

計(jì)算螺絲機(jī)的效率為：

(21 600-2 678)/(21 600-1 116)×100%=92.3%。

測試結(jié)果：安裝螺絲總個(gè)數(shù)為2 778，其中未成功安裝數(shù)為22個(gè)(滑絲或未安裝到位等)，總體安裝成功率為99.2%。由式(2)計(jì)算可知本螺絲機(jī)的效率達(dá)到92.3%，這充分驗(yàn)證了螺絲機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，基本滿足了設(shè)計(jì)初衷和實(shí)際生產(chǎn)需求。此外，螺絲機(jī)在連續(xù)運(yùn)行情況下，每分鐘安裝螺絲數(shù)量在9～10只左右，這基本和一名熟練工人的效率相當(dāng)，但是采用螺絲機(jī)后可大大減少勞動力使用，節(jié)約成本，因此，在一些大量需要螺絲安裝的企業(yè)崗位上，自動螺絲機(jī)的推廣應(yīng)用價(jià)值很高。

5 結(jié)語

由于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)更新速度較快，市場對自動化智能裝配的需求量越來越大，同時(shí)要求也越來越高。目前，受制于成本和技術(shù)難度等，手動或半自動化裝配在廣大中小企業(yè)仍然比較普遍，這造成了人力成本在整個(gè)生產(chǎn)成本里所占比重較高，本課題設(shè)計(jì)的自動螺絲機(jī)裝配控制系統(tǒng)，將裝料、送料、安裝、定位、故障檢測等全部進(jìn)行自動化處理，可以大大減少人工投入，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。