李珊，張世亮

（1.嶺南師范學院，廣東湛江524000；2.廣東海洋大學，廣東湛江524000）

保持架自動壓銷機的研制

李珊1，張世亮2

（1.嶺南師范學院，廣東湛江524000；2.廣東海洋大學，廣東湛江524000）

介紹的自動壓銷機，采用氣動壓裝，利用PLC（可編程控制器）進行控制設計，結合機械手及伺服控制技術，并設計了實用的人機界面，實現(xiàn)了從零件上料、壓裝、檢測到合格品與不良品分流、卸料全流程的自動化。

自動壓裝；自動上料；自動卸料；可編程控制器；伺服驅動

隨著我國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)競爭愈加激烈。對產品生產過程進行自動化改造，可以大幅提高工作效率、降低生產成本、提高產品質量，是企業(yè)提高自身競爭能力的重要途徑。保持架自動壓銷機是某知名汽車零部件生產企業(yè)重大技術改造項目，其目的是研制一臺全自動壓裝設備，取代現(xiàn)有通用手動壓銷機，實現(xiàn)從上料、壓裝、檢測識別、合格品卸料及不良品廢棄全流程的自動化，使兩定位銷高成功率地安裝到鋁合金保持架中，達到減人增效的目的，本文重點介紹保持架自動壓銷機的設計方案。

1 機械部分總體方案設計

機械部分主要由自動上料機構、自動壓裝與檢測機構、自動缷料機構組成。

1.1 自動上料機構

定位銷屬于小型空心棒材，形狀規(guī)則簡單，質量輕，不易發(fā)生磕碰損傷，適合采用料斗式上料裝置，只需工人將工件成批地任意地倒入料斗即可，本課題選擇的是電磁振動盤，由電磁振動盤實現(xiàn)定位銷的自動排列、定向與輸送[1]；保持架因為形狀不規(guī)則，尺寸較大，難以自動定向且邊角銳邊多，易產生零件之間的磕碰損傷，適合采用料倉式上料裝置，需要操作者定時將工件按照指定的方向與位置，依次擺放在料倉中。

1.2 自動壓裝與檢測機構

保持架入料、定位與夾緊機構示意如圖1所示。推送氣缸推動保持架沿導向塊前行，接觸到擋塊后停止，底板下面的定位氣缸推動夾具兩定位銷插入保持架的定位孔進行定位，最后夾緊氣缸帶動壓頭壓緊保持架半圓弧面。

圖1 保持架入料、定位與夾緊機構示意圖

定位銷在壓裝過程的隔離與入料機構如圖2所示。銷子沿輸料軟管進入導向板上的送銷導向孔，順孔而下，進入送銷定位板。銷子進入定位板后，先由推銷氣缸帶動推塊1將銷子推入定位孔，此時，放銷氣缸帶動推塊2封閉了定位孔下端，直到接收到放銷信號，放銷氣缸抽開推塊2，放出定位銷，方可進行壓銷作業(yè)。

圖2 定位銷入料機構示意圖

本課題壓裝動作由氣液增壓缸來實現(xiàn)。氣液增壓缸系將油壓缸與增壓器結合在一起，使用壓縮空氣作為動力源，利用增壓器擠壓密封的液壓腔，達到將氣壓壓力提高到數(shù)十倍的效果[2]。同時在壓裝沖頭上設有壓力傳感器，進行壓入力的檢測。

1.3 自動卸料機構

壓裝完畢后，定位氣缸與夾緊氣缸退回。出料氣缸將工件從側面推出，進入出料料槽，料槽中間部位設有排除氣缸，若壓力檢測不合格，則排除氣缸將工件排除掉。

若壓力檢測合格，排除氣缸不工作，工件將在出料料槽中繼續(xù)前進。在料槽的末端設有工件到位檢測開關，工件到位，單軸機械手出動將合格的工件取出，依次放入碼料托盤中。機械手能夠沿導軌移動，碼料托盤置于移動導軌上，可以在與機械手導軌垂直的方向上移動，這兩種移動均是由伺服電機帶動，均采用同步齒輪帶傳動。它們組合起來，可以實現(xiàn)工件在料盤上的依次精確定位。機械手的上下移動及夾持動作均是由氣缸實現(xiàn)。

壓銷機的機械部分如圖3所示。

圖3 壓銷機機械部分結構示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

壓銷機控制系統(tǒng)的硬件邏輯結構如圖4所示。

圖4 壓銷機硬件邏輯結構圖

壓銷機大部分工作是由氣缸（含增壓器）完成的，自動卸料單元則有兩個伺服電機參與控制，一個控制機械手在橫梁上的移動，另一個控制托盤在垂直橫梁方向的移動。

PLC利用其中的輸入單元釆集來自手動按鈕和開關量的信號，然后利用輸出單元，完成對氣動控制閥和伺服驅動器的控制，并對對蜂鳴器、指示燈等輸出設備進行控制[3]。

2.1 PLC I/O分配表

根據(jù)控制要求，自動壓銷機的I/O分配表見表1所示。

表1 I/O分配表

2.2 控制元件的選型

（1）PLC系統(tǒng)的選型：由表1之I/O地址分配表可知，全自動壓銷機控制系統(tǒng)共輸入33點、輸出23點。故選用三菱的FX1N-40MT-001型號基本單元一個，并搭配數(shù)字量輸入模塊FX2N-16EX和輸出模塊FX2N-8ERY進行輸入輸出擴展。

（2）觸模屏的選型：選擇INVT公司生產的VT056-H0CT-N型觸摸屏，32MB的存儲器，處理速度為200 MHz，可采用RS232/422/485三種方式與外界進行通訊。

（3）伺服系統(tǒng)選型：機械手和托盤的伺服電機均選擇INVT公司生產的SV-ML06-OR4G-2-1AO伺服電機，其功率為400 W，額定扭矩為1.27 NM，額定轉速為3 000 rpm，并選用INVT公司配套的伺服驅動器，具體型號為SV-DB100-0R4-2-1R.

（4）壓力傳感器選型：在自動壓裝時，須實時檢測兩定位銷壓入力，檢測選用新西蘭PT公司的環(huán)形壓力傳感器LPX1 000 kg，該壓力傳感器是基于壓電效應的傳感器。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)軟件總體結構

壓銷機采用梯形圖結合SFC（步進梯形圖）的方式進行編程，梯形圖用于系統(tǒng)初始化、手動運行、故障維護、停運等功能的編程，而SFC用于自動流程的編程?？刂葡到y(tǒng)軟件的總體結構如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件總體結構圖

3.2 手動運行方式的程序設計

本設備的所有機械動作可以分解為15個單體動作，分別為：推料、推入料、定位、壓緊、推銷、放銷、增壓缸升降、推出料、排除不良品、夾持零件、放料（保持架上料槽內）、托盤回零、托盤移動、機械手回零、機械手移動。這15個動作中，前11個動作均是由相應的輔助繼電器啟動電磁閥，驅動相應的氣缸來實現(xiàn)的。托盤回零、托盤移動、機械手回零、機械手移動則是由相應的輔助繼電器啟動伺服電機的驅動器來實現(xiàn)的。

現(xiàn)以推料動作為例，其梯形圖程序如圖6所示。

圖6 推料手動動作梯形圖

3.3 自動運行流程的主體流程

自動啟動流程是一個復合結構的順序控制流程，如圖7所示。壓銷機在觸摸屏上設置自動啟動按鈕，接通繼電器M117，進入自動運行循環(huán)。

圖7 自動運行主體SFC

自動運行的主體可以看作一個并行分支結構，在自動運行循環(huán)的初始狀態(tài)S0，初始狀態(tài)下，若入料到位檢測輸入X25帶電，啟動計時器T28，計時到時后，輸出繼電器Y10帶電，推料氣缸將保持架推入上料料槽末端。此狀態(tài)功能完成，在不同的轉移條件下，S0分別轉入S20、S30、S40狀態(tài)，形成3路分支。

這3個分支相對獨立，但是互有關聯(lián)。特別是托盤在導軌上運動與機械手在導軌上的移動位置組合形成工件在托盤上的正確定位，故兩個流程互有穿插。在下文的介紹中將S20和S30開啟的分支并稱為自動取件碼料流程。

3.4 自動入料壓銷檢測出料的分支流程

壓銷機自動入料壓銷檢測出料過程是典型的順序流程，其SFC如圖8所示。

圖8 自動入料壓銷檢測出料流程SFC

3.5自動取件碼料的分支流程

托盤僅可沿Y方向運動，機械手移動橫梁為X向。托盤在X方向一排擺放12個保持架，在Y方向則可排成8排，一個托盤可以擺96個保持架。機械手的取件碼料流程與托盤的步進移動流程穿插進行，形成了壓銷機總的取件碼料流程，其SFC如圖9所示。

圖9 自動取件碼料流程SFC

從保持架到達出料料槽末端，到其在托盤上正確位置碼好，這個過程是機械手取件碼料流程，其具體步驟如下：

（1）開始S20機械手取件碼料流程，S20每運行1次，計數(shù)寄存器C0計數(shù)1次，并存入數(shù)據(jù)寄存器D0.機械手在取件位（原點），機械手下降到位，發(fā)出到位信號。另，當D0=12，意味著一排將放滿，啟動M0輔助繼電器，托盤準備移動。

（2）延時停頓，氣爪夾持工件

（3）延時停頓，機械手上升，延時停頓后移動到正確的位置，此位置由數(shù)據(jù)寄存器D8142決定，而D8142則是根據(jù)D0的數(shù)據(jù)賦予不同的脈沖值。

（4）延時停頓，機械手下降到位，發(fā)出到位信號。

（5）接到到位信號，氣爪松開，放下工件。

（6）機械手上升，到位后延時停頓，再回原點（取件位）。此時，若M0繼電器帶電，說明托盤一排已放滿工件，轉移至S30，開啟托盤移位流程。若M0不帶電，說明托盤此排未放滿，轉移至S20開頭，循環(huán)進行機械手取件碼料作業(yè)。

S30開始的步進程序是托盤自動移位流程，其具體步驟如下：

（1）開始S30托盤自動移位流程，S30每運行1次，計數(shù)寄存器C1計數(shù)1次，并存入數(shù)據(jù)寄存器D1.

（2）若D1≤6，托盤按照數(shù)據(jù)寄存器D104進行移位，D104的值由D1的數(shù)據(jù)賦予不同的脈沖值，到位后，C0歸零，M0復位，回到S20；若D1=7，托盤進入回原點程序，C0歸零，M0復位，到位后發(fā)出信號，回到S20；若D1=8，則托盤放滿工件，發(fā)出更換托盤警報，返回S0.

3.6 不良品排除流程

在壓銷的過程中，同時檢測壓入力，若壓力檢測異常，則壓力異常輸入信號（X35或X40）帶電，啟動輔助繼電器M21，不良品排除流程（由S1開始的另一個步進程序）開始起作用。不良品排除流程SFC如圖10所示。

圖10 不良品排除流程SFC

不良品的排除氣缸布置點距離推出料位置有一段距離（間隔5個工件），因此若某個工件壓裝時壓力檢測不良（X35或X40帶電），排除氣缸不能排除當前的工件，必須排除的間隔5個工件之后的那個工件。

為實現(xiàn)這個要求，程序中利用了多個數(shù)據(jù)寄存器（D3D4D5D6D7D8D9）。其中D3與D4是每出料1次其數(shù)值就刷新1次，D5-D9則是出現(xiàn)了不良品才刷新1次。D3的作用是班產量計數(shù)，程序利用D4將零件每5件分成1組（D4=0，1，2，3，4，5）。第1件（D4=0）若不良，由S60排除；第2件（D4=1）若不良，由S61排除；第3件（（D4=2）若不良，由S62排除，第4件（D4=3）若不良，由S63排除，第5件（D4= 4）若不良，由S64排除。如此，將推出料至排除點之間的所有工件均進行判斷及處理。

4 觸摸屏人機界面的設計

觸摸屏上電后顯示的即是主畫面，主畫面提供了進入其它分畫面的入口，如圖11（a）所示。點擊主畫面上相關的按鈕，可進入需要的分畫面。手動操作畫面的設計是用于對15個單體的機械動作進行單獨地控制，如圖11（b）所示。自動運行畫面的設計則相對簡單。如圖11（c）所示。

圖11 觸摸屏主要畫面

5 結束語

本文設計了保持架自動壓銷機，其壓裝精度高，滿足了壓裝質量要求。設備操作簡單，產品節(jié)拍時間控制在10 s之內。裝配線投入到生產后，企業(yè)反映良好。主要創(chuàng)新點有：

（1）結合利用電磁振動盤、料槽與氣缸、單軸機械手與單方向移動托盤，實現(xiàn)了零件自動上料、自動取件碼料，機構結構精巧、功能實用。

（2）結合了PLC、觸摸屏、伺服控制技術等較先進的技術，自主開發(fā)出了具有顯示、操作，報警，調節(jié)，保護聯(lián)鎖，檢測數(shù)據(jù)等功能的全自動壓銷機。該壓銷機的可移植性強，可以根據(jù)要求應用于課題來源企業(yè)的多種類似產品，創(chuàng)造可觀的經濟效益。

[1]胡兵．電磁振動盤的應用[J]．機電信息，2016（6）：36-37.

[2]韓艷.氣液增壓缸的結構原理與應用[J].液壓氣動與密封，2011（11）：73-74.

[3]李林琨．基于PLC的汽車聯(lián)軸器壓裝系統(tǒng)的設計[D].上海：東華大學，2014.

Development of the Automatic Press-fit Machine for Bracket

LI Shan1，ZHANG Shi-liang2

（1.Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524000，China；2.Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524000，China）

The automatic pressure-fit machine，make use of pneumatic press mounting and PLC（programmable logic controller）control technology，combined with the mechanical hand and servo control technology，and design a practical man-machine interface，achieves the automation of the whole process（from loading the parts，pressingfit the parts，inspecting of the parts，to unloading the parts process）

automatic press-fit；automatic loading equipment；automatic blanking equipment；programmable logic controller；servo drive

TH12

：A

：1672-545X（2017）01-0086-05

2016-10-14

李珊（1975-），女，湖北麻城人，工程碩士，機械高級工程師，主要研究方向是數(shù)字化設計與制造。