崔國(guó)華 王延強(qiáng) 蔡超志 張艷偉

摘 ?要： 介紹軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的組成及工作原理，根據(jù)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的自動(dòng)化控制要求，設(shè)計(jì)基于PLC的控制系統(tǒng)，包括軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，開發(fā)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備自動(dòng)化控制要求，實(shí)現(xiàn)了膨脹螺栓的自動(dòng)化裝配。

關(guān)鍵詞： 膨脹螺栓;自動(dòng)化組裝; 控制系統(tǒng); 硬件設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì); 設(shè)備調(diào)試

中圖分類號(hào)： TN876?34; TP237.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）01?0107?04

Design of PLC?based control system for shaft type expansion bolt

automatic assembly equipment

CUI Guohua， WANG Yanqiang， CAI Chaozhi， ZHANG Yanwei

Abstract： The composition and working principle of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment are introduced in this paper. The PLC?based control system of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment is designed according to its automatic control requirements， including the overall scheme design， the hardware design and the software design of the automatic assembly control system of the shaft type expansion bolt assembly equipment. On this basis， field debugging and experimental research on the automatic assembly equipment of axial expansion bolt were carried out. The experimental results show that the developed control system can meet the requirements of automatic control of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment， and the automatic assembly of the expansion bolt can be realized.

Keywords： expansion bolt; automation assemble; control system; hardware design; software design; equipment debugging

0 ?引 ?言

緊固件作為一種機(jī)械基礎(chǔ)件，其技術(shù)先進(jìn)程度是保證裝備制造業(yè)技術(shù)先進(jìn)與否和產(chǎn)品質(zhì)量最為關(guān)鍵的一環(huán)。目前我國(guó)的汽車、航空、國(guó)防工業(yè)、高鐵、鋼鐵和造船等行業(yè)對(duì)高性能、高精度的標(biāo)準(zhǔn)件的需求量猛增。目前市場(chǎng)上小零件的自動(dòng)化并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，尤其是使用廣泛的膨脹螺栓。現(xiàn)在主要的生產(chǎn)方式是人工組成的生產(chǎn)線手工裝配，雖然其組裝工序并不繁瑣，但生產(chǎn)方式自動(dòng)化程度差、效率低，而且由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，考慮到人力物力資源的分配，生產(chǎn)效率的提高，對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是發(fā)展的必然?？v覽國(guó)內(nèi)外裝備制造行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)、高可靠性、高生產(chǎn)效率是顯示自身競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的硬性標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)調(diào)研，國(guó)外沒(méi)有用于膨脹螺栓組裝的自動(dòng)化設(shè)備，國(guó)內(nèi)有深圳市智繪自動(dòng)化設(shè)備有限公司和寧波攀高自動(dòng)化科技有限公司等兩家企業(yè)，相繼研發(fā)出用于膨脹螺栓組裝的專用自動(dòng)化設(shè)備，但是由于其控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，自動(dòng)上料系統(tǒng)容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，不能適應(yīng)多種型號(hào)膨脹螺栓的組裝，設(shè)備故障率比較高，生產(chǎn)效率低。所以，目前膨脹螺栓的組裝仍然采用純手工操作的生產(chǎn)模式，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、用工量大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多弊端，無(wú)法滿足高速發(fā)展的工業(yè)需要。

針對(duì)目前狀況，研發(fā)一種適用于中小企業(yè)的用于膨脹螺栓自動(dòng)組裝高效設(shè)備，在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)膨脹螺栓的自動(dòng)化生產(chǎn)不僅可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高膨脹螺栓生產(chǎn)的質(zhì)量及生產(chǎn)效率，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。本文在研發(fā)的軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用PLC控制技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)展開開發(fā)和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軸式膨脹螺栓組裝機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行。

1 ?控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 ?設(shè)備組成及工作原理

軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)的結(jié)果如圖1所示，主要包括自動(dòng)組裝機(jī)構(gòu)和上料機(jī)構(gòu)。自動(dòng)組裝機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架、軸式組裝裝置、頂針推進(jìn)裝置和擺臂壓緊裝置。上料機(jī)構(gòu)主要包括供料輸送裝置、螺母輸送裝置、彈墊輸送裝置、平墊輸送裝置、套管輸送裝置和螺桿輸送裝置。

設(shè)計(jì)的軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的基本運(yùn)行原理為：首先，設(shè)備組成中的五個(gè)輸送裝置在振動(dòng)盤的控制下同時(shí)開始輸送組裝目標(biāo)工件的零件，零件通過(guò)軌道到達(dá)指定位置后，通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn);其次，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)頂針預(yù)緊目標(biāo)工件;然后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺栓順利旋入套筒;最后，完成工件組裝后，壓輪上抬，頂針縮回，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)工作周期，依次循環(huán)從而使軸式膨脹螺栓組裝機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

1.2 ?控制功能要求

組裝目標(biāo)工件分為五個(gè)部分：螺母、彈簧墊圈、平墊圈、套管及螺栓。在開始完成組裝執(zhí)行動(dòng)作之前，需要目標(biāo)工件五個(gè)零件各個(gè)相對(duì)應(yīng)的輸送裝置通過(guò)軌道輸送各個(gè)零件全部到達(dá)旋轉(zhuǎn)取料組裝盤上的指定位置。為了使各個(gè)零件準(zhǔn)確到位，在旋轉(zhuǎn)取料組裝盤的極限位置安裝接近開關(guān)，對(duì)目標(biāo)工件的螺母、彈簧墊圈、平墊圈、套管及螺栓滑動(dòng)到旋轉(zhuǎn)取料組裝盤的時(shí)間進(jìn)行控制，確保不會(huì)有多余的零件提前進(jìn)入組裝位置。滿足組裝條件后進(jìn)行組裝。最重要的是在組裝過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)螺桿擰到螺母中的精準(zhǔn)定位，直到裝配完成離開組裝工作區(qū)域，這是設(shè)備正常工作的基本要求。

1.3 ?控制方案

根據(jù)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的工作原理和基本要求，本文采用PLC實(shí)現(xiàn)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂平Y(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，由圖2可知，整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC控制器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、頂針、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、伺服電機(jī)、取料組裝盤、氣動(dòng)電磁閥、氣動(dòng)壓輪、升降氣缸、壓輪開/合位置（彈墊、平墊、螺桿、套管、螺母）限位開關(guān)和氣缸升降限位開關(guān)組成。其中，PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)控制氣動(dòng)壓輪的下壓和上抬、伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制頂針的伸縮，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備按照控制要求進(jìn)行動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)頂針完成目標(biāo)工件的裝配預(yù)緊動(dòng)作，由于伺服電機(jī)是一個(gè)自帶編碼器的閉環(huán)執(zhí)行器，伺服電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)取料組裝盤完成裝配后工件的移動(dòng)動(dòng)作，由于伺服電機(jī)具有較高的定位精度，滿足本設(shè)備對(duì)平移位置精度的要求[1?2]。氣動(dòng)電磁閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)壓輪的下壓和上抬以及氣缸的伸縮控制，限位開關(guān)將壓輪的下壓和上抬以及氣缸的伸縮狀態(tài)反饋給PLC，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 ?控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?電機(jī)選型

根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，在軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的運(yùn)行中，需要兩個(gè)電機(jī)來(lái)完成工作。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主要作用是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使壓輪壓下和抬起，并在壓下的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，將螺母旋緊螺桿，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工件的預(yù)緊。此電機(jī)只需提供動(dòng)力，對(duì)速度和位置的控制無(wú)要求，選擇一般的單相交流電機(jī)即可，這里選用浙江邁力公司生產(chǎn)的電機(jī)（5IK90（120）RGS?CF）。電機(jī)的主要參數(shù)如下：額定電壓為220 V，額定輸出功率為120 W，額定轉(zhuǎn)速為1 350 r/min，減速比為1[∶]3。

取料組裝盤是完成工件組裝的主要部件，在組裝過(guò)程中，需要電機(jī)來(lái)控制取料組裝盤，在此過(guò)程中對(duì)位置有較高的精度要求，普通的電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)這一工作要求。由于伺服電機(jī)是一種自帶編碼器的閉環(huán)執(zhí)行器，具有較高的位置和速度控制精度，因此設(shè)備中選用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)工件的組裝。根據(jù)膨脹螺栓自動(dòng)組裝設(shè)備的控制要求[3?4]，最終選擇臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)（ECMA?C20604SS）和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器（ASD?B2?0421?B）實(shí)現(xiàn)設(shè)備的裝配功能。

2.2 ?控制器選型

根據(jù)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)、模擬量及擴(kuò)展模塊數(shù)量的實(shí)際需求[5?6]，綜合考慮決定采用SIMATIC S7 200系列PLC（CPU224XP）[7?8]。本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，20 KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器（100 kHz），2個(gè)100 kHz的高速脈沖輸出，2個(gè)RS 485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力。由于該CPU輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少，擴(kuò)展了一個(gè)EM223模塊。

2.3 ?控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)和控制要求對(duì)輸出輸入點(diǎn)數(shù)PLC的I/O地址進(jìn)行分配，如表1所示。

根據(jù)輸入輸出表可知，該系統(tǒng)有9個(gè)輸入口，16個(gè)輸出口。分別表示啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)等的I端口和脈沖輸出、停止指示、電機(jī)方向等的Q端口。根據(jù)PLC的I/O分配表，設(shè)計(jì)PLC控制電路如圖3所示。

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，完成PLC的外圍電路設(shè)計(jì)，給出PLC的外圍電路接線圖如圖4所示。

3 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用模塊化編程思想對(duì)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。在編程時(shí)，以一個(gè)主程序?yàn)橹黧w部分，通過(guò)若干個(gè)子程序和中斷程序?yàn)榉种?，主程序通過(guò)調(diào)用子程序和中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的多功能化。在每個(gè)掃描周期內(nèi)，PLC都是按順序來(lái)執(zhí)行的。功能子程序包括初始化子程序、電機(jī)手動(dòng)正反轉(zhuǎn)子程序、電機(jī)自動(dòng)子程序、頂針伸縮子程序、壓輪抬壓子程序、組裝盤旋轉(zhuǎn)子程序、復(fù)位子程序，分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)初始化功能、頂針伸縮功能、壓輪抬起或下壓功能、組裝盤旋轉(zhuǎn)功能及復(fù)位等功能，中斷程序用來(lái)解決PLC和伺服電機(jī)之間用脈沖信號(hào)的聯(lián)絡(luò)問(wèn)題。

系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。由圖5可知：系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先同時(shí)打開輸送目標(biāo)工件各個(gè)零件的設(shè)備裝置，使目標(biāo)工件的螺母、彈墊、平墊、套管、螺桿到達(dá)工件組裝的指定位置，期間零件輸送過(guò)程中到達(dá)哪個(gè)位置由各自的限位開關(guān)進(jìn)行判斷，然后頂針伸出將螺桿依次穿到套管、平墊、彈墊里面，直到螺桿末端頂住螺母，接著壓輪壓下旋轉(zhuǎn)將螺母擰到螺桿上裝配好，壓輪抬起，頂針收縮，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)組裝盤旋轉(zhuǎn)，將裝配好的工件移出組裝的工作位置，一個(gè)周期執(zhí)行完畢，等待下一步控制信號(hào)。

4 ?調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)設(shè)計(jì)原理的正確性，搭建樣機(jī)，開發(fā)設(shè)計(jì)軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)控制柜，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，樣機(jī)圖及控制柜如圖6，圖7所示。

實(shí)際調(diào)試時(shí)，控制系統(tǒng)的調(diào)試可以分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩個(gè)部分。調(diào)試前，檢查PLC外部的接線是否正確的連接好，確保無(wú)誤。然后開始模擬調(diào)試，把設(shè)計(jì)好的程序?qū)隤LC，對(duì)所寫程序逐條檢查，改正調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)于順序控制程序來(lái)說(shuō)，調(diào)試程序的作用是檢查運(yùn)行程序是否符合功能表圖的規(guī)定。之后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，將控制柜與設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)總調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中將系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的執(zhí)行器、硬接線等方面的問(wèn)題，以及PLC的外部接線圖和梯形圖程序設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及時(shí)解決。如果調(diào)試后達(dá)不到控制的基本要求，應(yīng)對(duì)相應(yīng)硬件和軟件部分作出適當(dāng)調(diào)整。

調(diào)試完畢后，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先從初始位置開始，按照程序控制順序執(zhí)行，直到第一個(gè)周期完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)的軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)控制系統(tǒng)能夠完成預(yù)定控制要求，順利地裝配好工件，能夠達(dá)到很強(qiáng)的自動(dòng)化水平。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的人工組裝工藝技術(shù)生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于PLC控制的軸式膨脹螺栓自動(dòng)組裝機(jī)控制系統(tǒng)，其中包括總體方案的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成了預(yù)期的裝配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了膨脹螺栓生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)的工藝水平、制造質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：崔國(guó)華（1975—），男，博士，教授，主要從事機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)等方面研究。