劉 通

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引言

在工業(yè)自動化高速發(fā)展的今天，仍然有許多裝配領域過分依賴人工裝配生產(chǎn)，如一些螺紋結(jié)合的管狀工件裝配，如圖1所示，通常為2個圓柱狀工件一個末端為外螺紋另一個末端為內(nèi)螺紋，傳統(tǒng)方式結(jié)合時需要將其中一個工件固定并將2個工件保持同軸，再靠人工將2個工件的螺紋進行認扣，最后人工利用工裝將工件擰緊，從而完成螺紋結(jié)合工件的裝配。在作者工作涉及的船舶行業(yè)中傳統(tǒng)裝配方式已經(jīng)無法滿足巨大的產(chǎn)能需求，迫切需要一種自動化設備提高生產(chǎn)效率，降低工人工作強度，提高良品率，為此作者設計開發(fā)了一種基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設備。

圖1 工件裝配示意圖

1 設計規(guī)劃

1.1 工藝流程

基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設備，該設計工藝流程如下：

(1)任務下達；

(2)三坐標機械手將工件1抓取放置在夾緊定位機構上；

(3)夾緊定位機構中的夾緊支座1將工件1向夾緊支座2推動；

(4)夾緊定位機構中的夾緊支座2的傳感器檢測到工件1的端面時夾緊支座1停止運動，夾緊定位機構將工件1夾緊固定；

(5)三坐標機械手將工件2抓取放置在頂升定位機構上；

(6)夾緊定位機構中的夾緊支座2將支撐斜塊推出阻擋工件2軸向攢動；

(7)擰緊機構向工件2方向移動使工件穿過擰緊機構的中空卡盤，同時頂升定位機構依次降下；

(8)當擰緊機構后端的傳感器檢測到工件2到位時，擰緊機構前端的三爪卡盤將工件2夾緊，夾緊定位機構中的夾緊支座2將支撐斜塊縮回；

(9)擰緊機構帶著工件2旋轉(zhuǎn)與工件1認扣、擰緊；

(10)當擰緊機構機構中的扭矩傳感器檢測到擰緊扭矩達到設定扭矩時，工件擰緊結(jié)合完成，擰緊機構停止轉(zhuǎn)動并松開工件；

(11)擰緊機構返回原點，夾緊定位機構松開工件；

(12)三坐標機械手將工件下料；

1.2 工作節(jié)拍

設備運行分為三坐標機械手的動作及螺紋自動擰緊設備的動作兩部分，詳細步驟如表1所示，節(jié)拍71秒。

表1 詳細步驟節(jié)拍

2 設備機構設計

如圖2、圖3所示，基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設備由夾緊定位機構、頂升定位機構、擰緊機構、專機底座、電控柜組成。

圖2 基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設備

圖3 專機組成示意圖

如圖4所示，夾緊支座1位于專機底座的伺服滑臺上，當設備運行時，現(xiàn)將工件1放置在夾緊定位機構的支撐軸承上，使工件只能保持軸向移動，伺服滑臺帶著夾緊支座1沿軸向向夾緊支座2方向運動，使夾緊支座1上的推板推著工件1同步運動，當夾緊支座2上的傳感器檢測到工件端面時，伺服滑臺停止工作，夾緊支座1和夾緊支座2上的夾緊機構將工件1夾緊定位。

圖4 夾緊定位機構

如圖5所示，頂升定位機構安裝在專機底座上，當設備運行時，機械手將工件2放置在頂升定位機構上，頂升定位機構將工件2頂升，使工件2與工件1、擰緊機構保持同軸。

圖5 頂升定位機構

如圖6所示，擰緊機構安裝在專機底座的伺服滑臺上，當設備運行時，伺服滑臺帶著擰緊機構向工件2方向運動，使工件2穿過擰緊機構的三爪卡盤，擰緊機構運動到夾緊位置時，三爪卡盤將工件2夾持，動力機構帶動三爪卡盤旋轉(zhuǎn)使工件擰緊結(jié)合，當擰緊機構的扭矩傳感器檢測到擰緊扭矩達到設定值時，動力機構停止工作，三爪卡盤松開，擰緊機構返回原點。

圖6 擰緊機構

3 控制方案設計

3.1 控制系統(tǒng)概述

根據(jù)生產(chǎn)工藝過程要求，控制系統(tǒng)采用先進的PLC集成技術和安全技術，采用成熟的現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)多專機、多系統(tǒng)的柔性智能化裝配，優(yōu)化信息采集方案，實現(xiàn)多傳感器信息融合的分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構框圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構框圖

控制系統(tǒng)采用主從分布式控制方式，主、從控制器之間通過profinet現(xiàn)場總線進行通訊。系統(tǒng)主控制柜放置在遠端中央控制室內(nèi)，采用西門子公司S7-1500系列PLC為控制核心，實現(xiàn)現(xiàn)場各設備的遠程監(jiān)控、參數(shù)設置和操作控制，同時保存各種參數(shù)信息，包括各自動化專機的運行狀態(tài)信息、工件信息、工藝參數(shù)信息等，為MES信息管理系統(tǒng)提供信息資源。

專機各部的控制柜及各自動化專機控制柜放置在生產(chǎn)現(xiàn)場，采用西門子公司S7-1200系列PLC為控制單元，輔以遠程I/O模塊ET200、485通訊模塊等對裝配現(xiàn)場的防爆電機、防爆伺服電機、本安傳感器、氣動元件等進行控制，實現(xiàn)裝配過程的柔性化、智能化。

設備配有觸摸屏，可實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置、故障查詢以及手動操作控制等功能，觸摸屏界面設計如圖8所示。換產(chǎn)時，只需在觸摸屏界面上選擇產(chǎn)品型號，控制系統(tǒng)自動調(diào)用相應的支撐、夾持位置參數(shù)及擰緊工藝參數(shù)。

圖8 觸摸屏界面

3.2 控制系統(tǒng)的特點

多機網(wǎng)絡協(xié)調(diào)控制：通過profinet現(xiàn)場總線實現(xiàn)各專機控制系統(tǒng)的互聯(lián)，通過軟件編程實現(xiàn)生產(chǎn)線過程控制、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)、故障診斷、信息處理和預警功能，獨立的控制單元有效地連接起來，實現(xiàn)各專機的信息交換和系統(tǒng)各部件的協(xié)同工作，實現(xiàn)本質(zhì)安全的控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)實時監(jiān)測：系統(tǒng)可實時監(jiān)測各工位專機的工作狀態(tài)，對生產(chǎn)裝配過程中的測量數(shù)據(jù)進行實時顯示和記錄，建立裝配工藝庫，使操作人員可以實時觀測裝配系統(tǒng)的當前運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

設備管理及故障處理：對關鍵工位和安全檢測傳感器采取冗余的雙回路設計，降低故障和異常事件的發(fā)生率；對故障能實現(xiàn)自我診斷停機保護，并顯示故障類型；通過報警燈閃爍、蜂鳴器鳴叫提示等方式進行報警；故障排除后，可實現(xiàn)安全復位功能。

遠程視頻監(jiān)控：通過成熟的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)對系統(tǒng)的網(wǎng)絡信息化管理和視頻監(jiān)控功能，從而實現(xiàn)裝配全過程的遠程視頻監(jiān)控。

4 結(jié)束語

在管狀工件的裝配領域中，行業(yè)內(nèi)多采用人工認扣、人工擰緊的裝配方式，人工裝配存在自動化率低的問題，而且使用人工擰緊不僅增加了工人的工作強度，也無法得到準確的擰緊扭矩從而判斷工件是否擰緊結(jié)合到位，不能夠確保裝配的良品率。本次設計開發(fā)的基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設備，通過擰緊扭矩的實時反饋與機構控制結(jié)合，為一些螺紋結(jié)合工件的裝配提供了一種有效的解決方案，跟人工作業(yè)相比，其效率、質(zhì)量、穩(wěn)定性等有很大提高，是對裝配領域螺紋結(jié)合方面的一次重要的技術革新，填補了此方面自動化的空白，并可在類似的行業(yè)進行應用推廣。