于復(fù)生，徐升明，杜桂林，時(shí)維康

(1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101;2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250101)

0 引言

PLC 是一種方便開(kāi)發(fā)與聯(lián)網(wǎng)且抗干擾能力強(qiáng)的可編程邏輯控制器件，在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］，目前人們加大了在其自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，浙江工業(yè)大學(xué)的何洋基于PLC 和氣動(dòng)的音圈自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)的研究［6］，湖南科技大學(xué)的楊書(shū)儀運(yùn)用PLC 實(shí)現(xiàn)鋼板彈簧自動(dòng)剪切生產(chǎn)線(xiàn)［7］，沈陽(yáng)理工大學(xué)的汪建業(yè)設(shè)計(jì)的PLC 在多工位自動(dòng)裝配機(jī)中的應(yīng)用［8］等。

散熱片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前企業(yè)對(duì)該工件的裝配還全部采用人工裝配，事故率高、造成眼睛疲勞等問(wèn)題，不僅影響了它的生產(chǎn)率，還影響該工件裝配的質(zhì)量，針對(duì)散熱片在人工裝配當(dāng)中的種種問(wèn)題和充分利用PLC 在自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)中的可靠性和靈活性，應(yīng)用S7-200 型PLC 設(shè)計(jì)了其自動(dòng)化裝配的控制系統(tǒng)［9］。

1 自動(dòng)裝配系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)及氣路設(shè)計(jì)

圖1 為散熱片自動(dòng)化裝配主要設(shè)備，該設(shè)備的組成為:三支光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)的采集，一臺(tái)散熱片專(zhuān)用振動(dòng)盤(pán)和一臺(tái)機(jī)械手來(lái)完成散熱片的上料，鉆孔和攻絲電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱片的鉆孔和攻絲，一臺(tái)焊針專(zhuān)用振動(dòng)盤(pán)和一臺(tái)機(jī)械手來(lái)完成焊針的的上料，一臺(tái)機(jī)械手和兩臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊針的夾緊，一臺(tái)機(jī)械手來(lái)完成對(duì)成品的正確下料，一臺(tái)機(jī)械手來(lái)完成碎屑的清理，一臺(tái)分割器來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)工位在轉(zhuǎn)盤(pán)上的具體分配如圖2所示。該散熱片自動(dòng)化裝配系統(tǒng)占地面積小、效率高。各機(jī)械手之間通過(guò)三通接頭相連，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)械手之間的聯(lián)動(dòng)，用PLC 實(shí)現(xiàn)一臺(tái)主控機(jī)械手的順序控制來(lái)帶動(dòng)其它機(jī)械手的聯(lián)動(dòng)，當(dāng)氣泵打開(kāi)，各機(jī)械手處于初始預(yù)定位置，然后PLC 的順序控制帶動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，其中一臺(tái)主控機(jī)械手的氣路原理如圖3 所示。

圖1 散熱片自動(dòng)化裝配主要設(shè)備

圖2 工位在轉(zhuǎn)盤(pán)上分布圖

圖3 機(jī)械手的氣路原理

本散熱片自動(dòng)化裝配系統(tǒng)中機(jī)械手的水平伸縮、豎直下降等動(dòng)作的快慢的控制主要由節(jié)流閥控制氣缸的通氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)，各個(gè)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制均由PLC 的程序按照具體的設(shè)定時(shí)間來(lái)控制，一個(gè)周期動(dòng)作的時(shí)間有具體設(shè)定的要求，一個(gè)周期的動(dòng)作時(shí)間控制在電機(jī)的間歇時(shí)間以?xún)?nèi)，電機(jī)再一次的轉(zhuǎn)動(dòng)又通過(guò)光電開(kāi)關(guān)來(lái)重新啟動(dòng)PLC，又一個(gè)周期的動(dòng)作開(kāi)始，控制系統(tǒng)的動(dòng)作依次循環(huán)進(jìn)行。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 的選用及其I/O 定義表

根據(jù)系統(tǒng)的要求，共需要PLC 的輸入點(diǎn)數(shù)為四點(diǎn)，分別為系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)(系統(tǒng)上電)、光電開(kāi)關(guān)(程序的啟動(dòng)開(kāi)關(guān))、傳感器1 開(kāi)關(guān)(檢測(cè)是否正常上料)、傳感器2 開(kāi)關(guān)(檢測(cè)是否正常下料)，所需的輸出點(diǎn)數(shù)為七點(diǎn)，即:五對(duì)氣缸的電磁閥控制點(diǎn)、報(bào)警燈的開(kāi)關(guān)、吸屑裝置的電磁閥控制開(kāi)關(guān)。

根據(jù)控制要求選用 PLC 的是 S7-200 系列CPU224XP 型，該P(yáng)LC 有14 個(gè)輸入點(diǎn)，10 個(gè)輸出點(diǎn)可以滿(mǎn)足所涉及控制系統(tǒng)對(duì)PLC I/O 點(diǎn)數(shù)的要求，PLC的輸入輸出地址分配分別如表1 和表2 所示。

表1 輸入控制信號(hào)地址分配

表2 輸出信號(hào)控制地址分配

機(jī)械手控制系統(tǒng)的PLC 接線(xiàn)圖如圖4 所示。PLC的各輸入、輸出口的功能按照表1、表2 分配。其中Q0.0～Q0.5 以及Q0.7 輸出端口通過(guò)控制繼電器來(lái)控制電磁閥。

圖4 控制系統(tǒng)接線(xiàn)圖

2.2 電機(jī)的選用及電路設(shè)計(jì)

根據(jù)夾緊焊針機(jī)構(gòu)的要求采用單片機(jī)控制的兩個(gè)相同的大扭矩減速步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪將焊針沿著夾具的槽推進(jìn)散熱片內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和時(shí)間的控制，都由單片機(jī)來(lái)控制。單片機(jī)控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5 所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)PLC 程序使用STEP7V5.0 編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配系統(tǒng)的控制和過(guò)程數(shù)據(jù)初步處理。編寫(xiě)的程序分為手動(dòng)程序和自動(dòng)程序。手動(dòng)程序主要在安裝調(diào)試和設(shè)備檢修過(guò)程中使用，自動(dòng)程序可以使整個(gè)系統(tǒng)流暢運(yùn)行。根據(jù)條件的要求，通過(guò)PLC 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配過(guò)程的自動(dòng)控制，總開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)給整個(gè)系統(tǒng)上電，上電后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位就觸發(fā)一次光電開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)將信號(hào)傳給PLC，PLC 控制機(jī)械手完成一系列順序動(dòng)作，工位1 和工位6 將散熱片和焊針由振動(dòng)盤(pán)運(yùn)送到設(shè)定位置，鉆孔電機(jī)和攻絲電機(jī)進(jìn)行散熱片的鉆孔和攻絲，工位5 的機(jī)械手將兩臺(tái)夾緊電機(jī)置于夾具表面，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)偏心輪將焊針擠壓進(jìn)散熱片，工位6 的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)將成品從夾具內(nèi)取出，工位7 負(fù)責(zé)吸走鉆孔和攻絲產(chǎn)生的碎屑，一個(gè)周期的所有動(dòng)作完成，電機(jī)再次轉(zhuǎn)動(dòng)，使PLC 進(jìn)入下一個(gè)順序控制，依次循環(huán)。該系統(tǒng)具體的動(dòng)作流程如圖6 所示。

圖6 散熱片自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的動(dòng)作流程圖

梯形圖程序根據(jù)PLC 的I/O 地址進(jìn)行分配設(shè)計(jì)，采用自鎖電路將光電開(kāi)關(guān)采集的信號(hào)進(jìn)行保持，采用位存儲(chǔ)器(M)保持轉(zhuǎn)換狀態(tài)，使用接通延時(shí)定時(shí)器來(lái)控制機(jī)械手動(dòng)作的時(shí)間，使用置位和復(fù)位開(kāi)關(guān)來(lái)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，PLC 程序的主要部分如圖7 所示。

圖7 機(jī)械手主程序片段

4 結(jié)論

通過(guò)利用PLC 對(duì)該散熱片自動(dòng)化裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的選型，合理的硬件配置和完善的程序設(shè)計(jì)，并且利用氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)工位機(jī)械手的精確定位，使得該系統(tǒng)整體布局合理，可靠性高，穩(wěn)定性好，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)過(guò)改進(jìn)還可以應(yīng)用到其他生產(chǎn)線(xiàn)的控制。

［1］Hubert K.Rampersad，bottlenecks ＆ development tendencies in robotic assembly［J］. Roboties Today，1995，8(3):1 -6.

［2］馮光濤，張偉軍，趙錫芳，等. 機(jī)器人裝配操作的規(guī)劃與控制［J］. 機(jī)器人，2001，23(1):78 -84.

［3］魏長(zhǎng)青，楊汝清.面向機(jī)器人裝配設(shè)計(jì)與規(guī)劃的集成框架［J］.機(jī)器人，2001，23(3):246 -249.

［4］徐秀娟，董繼先.單片機(jī)控制自動(dòng)裝配機(jī)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2004(8):44 -45.

［5］沈孝芹，張蔚波，于復(fù)生，等.基于單片機(jī)控制的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的研制［J］.液壓與氣動(dòng)，2008(8):14 -15.

［6］王芳，吳汶芪，何洋，等.基于PLC 和氣動(dòng)的音圈自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)的研究［J］.輕工機(jī)械，2006，24(3):100-102.

［7］楊書(shū)儀. 運(yùn)用PLC 實(shí)現(xiàn)鋼板彈簧自動(dòng)剪切生產(chǎn)線(xiàn)［J］. 機(jī)電一體化，2005(6):74 -76.

［8］汪建業(yè)，焦志剛，韓政達(dá)，等.PLC 在多工位自動(dòng)裝配機(jī)中的應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(3):12 -15，20.

［9］于復(fù)生，杜桂林，李濤，等.典型結(jié)構(gòu)散熱片的自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(9):30 -34.