李志梅 周圣林 趙振魯

YL-335B自動(dòng)線裝配單元?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志梅1周圣林1趙振魯2

（1.沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2.亞龍智能裝備集團(tuán)股份有限公司，浙江 溫州 325000）

在不改變?cè)泄ぷ髡竟δ艿幕A(chǔ)上，推出一種全新結(jié)構(gòu)及控制驅(qū)動(dòng)方式的工作站——裝配單元Ⅱ。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，改變?cè)瓉硌b配單元的氣動(dòng)擺臺(tái)結(jié)構(gòu)，新裝配單元Ⅱ采用步進(jìn)電機(jī)＋減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，裝配工位由原來的1個(gè)擴(kuò)至4個(gè)，待裝配工件能流水線般依次裝配，能為自動(dòng)線整機(jī)提供更為靈活多樣的實(shí)訓(xùn)擴(kuò)展；在控制系統(tǒng)上，新裝配單元Ⅱ的控制器從原來的S7-200 PLC升級(jí)為S7-200 SMART PLC，可與其他同類控制器單元進(jìn)行以太網(wǎng)組網(wǎng)，更順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)線發(fā)展趨勢(shì)。

自動(dòng)線；裝配單元；SMART PLC；步進(jìn)電機(jī)

引言

亞龍YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線作為全國(guó)職業(yè)院校技能大賽指定設(shè)備，能高度仿真模擬現(xiàn)代生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)控制過程[1][2]。系統(tǒng)是在鋁合金導(dǎo)軌式實(shí)訓(xùn)臺(tái)上安裝：供料、加工、裝配、傳輸和分揀5個(gè)工作單元。其中，裝配單元主要用于將兩個(gè)分散的物料進(jìn)行裝配[3][4]。原裝配單元采用擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)芯件轉(zhuǎn)移，在不改變物料配送和裝配工藝的前提下，基于步進(jìn)電機(jī)與S7-200 SMART PLC，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種新型裝配單元Ⅱ。一是擴(kuò)展待裝配工位，使自動(dòng)線整機(jī)獲得更為靈活的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目；二是彌補(bǔ)自動(dòng)線整機(jī)沒有步進(jìn)電機(jī)，學(xué)生在此設(shè)備上接觸不到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)知識(shí)的缺憾；三是升級(jí)控制器，可與其他同控制器工作單元進(jìn)行以太網(wǎng)組網(wǎng)[5][6][7]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型裝配單元Ⅱ主要由落料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝配機(jī)構(gòu)組成（如圖1所示）。落料機(jī)構(gòu)主要由管型料倉(cāng)、頂料與擋料氣缸、電磁閥組、型材托架等組成；旋轉(zhuǎn)裝配機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)料盤、固定盤、減速機(jī)-步進(jìn)電機(jī)組件等組成。其中，固定盤被安裝在型材支架上，減速機(jī)-步進(jìn)電機(jī)組件通過減速機(jī)前端法蘭盤與固定盤螺紋連接。旋轉(zhuǎn)料盤8個(gè)中心孔與減速機(jī)輸出軸8個(gè)螺紋孔用螺紋連接。這樣，步進(jìn)電機(jī)輸出動(dòng)力由減速機(jī)減速后即傳遞到旋轉(zhuǎn)料盤上。

旋轉(zhuǎn)裝配機(jī)構(gòu)工作過程：（1）旋轉(zhuǎn)料盤回原點(diǎn)（如圖2所示），通過安裝在固定盤上的松下PM-L25 U型光電傳感器檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)料盤下方安裝的T型擋塊實(shí)現(xiàn)。回零完畢后，旋轉(zhuǎn)料盤刻度線與固定盤刻度線對(duì)齊。（2）輸送單元送來的半成品工件放進(jìn)前入料裝配臺(tái)1中。入料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到來料后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)料盤旋轉(zhuǎn)180°至落料機(jī)構(gòu)正下方，由落料機(jī)構(gòu)完成小圓柱芯件的落料，從而完成小圓柱芯件與半成品工件精準(zhǔn)的裝配動(dòng)作。裝配完畢后，裝配臺(tái)1載著已裝配好的工件再旋轉(zhuǎn)回初始位置，等待輸送單元抓取移送到其他工作單元。

圖1 裝配單元Ⅱ

圖2 原點(diǎn)檢測(cè)及校準(zhǔn)線

落料機(jī)構(gòu)工作過程：小圓柱芯件預(yù)置于落料機(jī)構(gòu)管型料倉(cāng)內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)氣源接通后，頂料氣缸初始位置處于縮回狀態(tài)，擋料氣缸初始位置處于伸出狀態(tài)。當(dāng)需進(jìn)行落料時(shí)，頂料氣缸伸出，頂緊次下層芯件，擋料氣缸縮回，下層芯件由于重力得以落下，從而實(shí)現(xiàn)落料，然后兩氣缸復(fù)位，完成落料控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，西門子S7-200 PLC逐漸會(huì)被S7-200 SMART PLC所替代[8]?？紤]有高速脈沖輸出的需求，兼顧I/O實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)控制器選用CPU ST40。該CPU模塊本體輸出端Q0.0，Q0.1，Q0.3可提供3軸20 Hz～100 kHz高速脈沖輸出，Q0.2，Q0.7和Q1.0分別為其方向控制端[9][10]。

步進(jìn)電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一[11]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)曲線，計(jì)算負(fù)荷轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷慣量、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等，最終選用Kinco的3S57Q-04056步進(jìn)電機(jī)及配套3M458驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3S57Q-04056部分技術(shù)參數(shù)

2.2 PLC的I/O分配

CPU ST40共有24輸入點(diǎn)，16輸出點(diǎn)。本系統(tǒng)實(shí)際分配使用如表2所示，其中輸入點(diǎn)主要用于裝置側(cè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，以及按鈕指示燈模塊的主令信號(hào)的采集；輸出點(diǎn)主要用于步進(jìn)電機(jī)脈沖/方向信號(hào)、頂料及擋料電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及按鈕指示燈模塊上的狀態(tài)指示燈等。

表2 PLC的I/O信號(hào)分配表

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線

根據(jù)技術(shù)資料[12]，設(shè)計(jì)CPU ST40與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的硬件接線如圖3所示。采用ST40的Q0.0端子作為脈沖控制信號(hào)，Q0.2端子作為方向控制信號(hào)，分別連接至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Kinco 3M458的PLS+和DIR+端子。步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056三相繞組的六根引出線，分別為紅、銀白、藍(lán)、白、黃、綠色，按首尾相連的原則連接成三角形后，三根引出線分別連接至驅(qū)動(dòng)器的W、V、U端子[13]，如圖4所示。

圖3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)與ST40接線圖

圖4 3S57Q-04056的接線

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表3所示。步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056額定相電流5.6 A，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)比額定低一些，故設(shè)置為5.2 A。為減少電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱，可設(shè)定靜態(tài)電流半流，即DIP4為OFF。

表3 DIP開關(guān)設(shè)置

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制程序結(jié)構(gòu)：主程序MAIN調(diào)用3個(gè)一級(jí)子程序“初始化”、“旋轉(zhuǎn)控制”及“狀態(tài)顯示”，其中“旋轉(zhuǎn)控制”子程序又二級(jí)調(diào)用“落料控制”子程序。

主程序MAIN主要完成系統(tǒng)啟停等主流程控制，包括欠缺料等狀態(tài)檢測(cè)、系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒檢查、子程序的調(diào)用以及系統(tǒng)啟動(dòng)/停止等操作。子程序“初始化”主要完成系統(tǒng)的復(fù)位，即旋轉(zhuǎn)料盤回原點(diǎn)。子程序“旋轉(zhuǎn)控制+落料控制”主要完成裝配工藝過程的步進(jìn)順序控制。其中，料盤旋轉(zhuǎn)控制以及落料控制子程序流程設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)ЫM態(tài)

SMART CPU采用“運(yùn)動(dòng)”向?qū)勺永虒?shí)現(xiàn)PTO脈沖輸出[14]，以控制步進(jìn)電機(jī)。在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件中，雙擊“工具”菜單下面的“運(yùn)動(dòng)”選項(xiàng)卡，打開運(yùn)動(dòng)控制向?qū)11]，組態(tài)運(yùn)動(dòng)軸軸0：

（1）測(cè)量系統(tǒng)：選擇“相對(duì)脈沖”。

（2）方向控制：相位選擇“單相2輸出”，極性選擇“正”。

（3）輸入RPS（參考點(diǎn)）：勾選“已啟用”，輸入選擇“I0.0”，有限電平“上限”。

（4）電機(jī)速度：MAX_SPEED設(shè)為“100000”個(gè)脈沖/s，SS_SPEED設(shè)為“5000”個(gè)脈沖/s。根據(jù)3S57Q-04056/3M458矩頻曲線圖[9]，在扭矩范圍內(nèi)選擇系統(tǒng)最大速度MAX_SPEED。啟/停速度按MAX_SPEED的5%-15%選擇。

（5）電機(jī)時(shí)間：ACCEL_TIME設(shè)為1 000 ms，DECEL_TIME設(shè)為50 ms。

（6）參考點(diǎn)：RP_FAST設(shè)為5 000 Pulse/s，RP_SLOW設(shè)為500 Pulse/s，RP_SEEK_DIR設(shè)為“負(fù)”，RP_APPR_DIR設(shè)為“正”，偏移量RP_OFFSET設(shè)為“0.0”度，參考點(diǎn)搜索順序選方式“2”。

圖5 旋轉(zhuǎn)子程序流程

圖6 落料子程序流程

此外，存儲(chǔ)器分配采用系統(tǒng)自動(dòng)建議VB93-VB185。組件中子例程選擇三個(gè)：AXIS0_CTRL啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸，每當(dāng)程序掃描時(shí)都調(diào)用；AXIS0_GOTO命令運(yùn)動(dòng)軸按指定速度運(yùn)行到指定位置；AXIS0_RSEEK用于查找參考點(diǎn)位置。

3.3 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)計(jì)算

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)減速后，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)料盤旋轉(zhuǎn)。裝配站Ⅱ中選用SKISIA（歐得克）的圓法蘭盤式行星齒輪減速機(jī)，該減速機(jī)減速比為7[15]。旋轉(zhuǎn)料盤的旋轉(zhuǎn)角度、PLC輸出的脈沖數(shù)以及步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)三者之間關(guān)系如下：

由式（1）和式（2）可得：

上述各式中：P表示PLC輸出的脈沖數(shù)；表示步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度；表示步進(jìn)細(xì)分?jǐn)?shù)；表示減速機(jī)的減速比，R表示旋轉(zhuǎn)料盤的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)式（3），旋轉(zhuǎn)料盤若旋轉(zhuǎn)180°，當(dāng)步進(jìn)細(xì)分?jǐn)?shù)為5 000時(shí)，PLC輸出的脈沖數(shù)應(yīng)為175 000。

3.4 PLC程序編寫

系統(tǒng)主程序中啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸部分編程要點(diǎn)見圖7，運(yùn)動(dòng)軸回原點(diǎn)子程序見圖8。其中，初始化子程序執(zhí)行結(jié)果須返回給調(diào)用它的POU，即主程序。所以，在子程序里需定義輸出參數(shù)型局部變量（如圖9所示）。在局部變量表中定義該局部變量時(shí)，只需指定變量類型和數(shù)據(jù)類型，不需指定存儲(chǔ)器地址，存儲(chǔ)器地址是由程序編輯器自動(dòng)分配。后面的落料控制子程序同樣如此。

圖7 啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸

圖8 初始化子程序

料盤旋轉(zhuǎn)子程序中控制運(yùn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180°編程要點(diǎn)如圖10所示，料盤旋轉(zhuǎn)子程序調(diào)用落料子程序如圖11所示。

圖9 初始化子程序局部變量定義

3.5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行時(shí)，初始化子程序通過運(yùn)動(dòng)軸回原點(diǎn)指令驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)回零?；亓阃戤?，經(jīng)過一定的延時(shí)，可以看到，子程序輸出參數(shù)done位為1。

此外，急停功能是通過在AXIS0_CTRL的MOD_EN參數(shù)輸入處以及“旋轉(zhuǎn)控制”子程序的調(diào)用EN處，兩處均串接急停開關(guān)I2.2接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。所以按下急停時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急情況停止。

圖10 料盤旋轉(zhuǎn)180°

圖11 落料子程序調(diào)用

注意一點(diǎn)：下料工作完成后，需考慮有一段時(shí)間的延時(shí)，然后再使子程序輸出參數(shù)“落料完成”為1，以確保芯件落到位后，轉(zhuǎn)盤再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。否則容易出現(xiàn)芯件還沒落到位，轉(zhuǎn)盤即旋轉(zhuǎn)，從而造成旋轉(zhuǎn)盤與固定盤之間的卡料現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

新裝配單元Ⅱ可使整臺(tái)生產(chǎn)線具有更靈活開放的控制結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)裝配機(jī)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)料盤擴(kuò)至4工位，待裝配工件可流水線般依次裝配，配置合適供料與輸送單元，可為整機(jī)提供更為靈活多樣的訓(xùn)練項(xiàng)目。原有分揀單元三相異步電機(jī)、輸送單元的伺服電機(jī)、加之新裝配單元Ⅱ的步進(jìn)電機(jī)，能夠促進(jìn)學(xué)生多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制理論與實(shí)踐的深入學(xué)習(xí)。

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Innovative Design and Implementation of Assembly Unit of YL-335B Automatic Line

Li Zhimei1, Zhou Shenglin1, Zhao Zhenlu2

( 1.Shazhou Professional Institute of Technology, Zhangjiagang 215600,China; 2.Yalong Intelligent Equipment Group co.,LTD.,Wenzhou 325000,China )

For YL-335B automatic assembly function, a new type of assembly unit Ⅱ has been proposed and implemented in this paper. Comparisons with the original: 1. Innovative changes are made to the traditional structure, replacing the original pneumatic swing table with stepper motor-reducer drive; 2. The assembly station of rotary plate is expanded from 1 to 4, so the workpiece can be assembled successively, providing a flexible and diverse training projects for the whole automatic line; 3. The controller is upgraded from the original s7-200 PLC to s7-200 SMART PLC, and Ethernet networking can be conducted with other controller units.

automatic line; assembly unit; SMART PLC; stepper motor

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009－8429(2019)02－0009－07

2019-05-17

2016年江蘇省教育廳高?！扒嗨{(lán)工程”資助項(xiàng)目（蘇教師〔2016〕15號(hào)）；2018年江蘇高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)“機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目。

李志梅（1979－），女，沙洲職業(yè)工學(xué)院機(jī)電工程系副教授；

周圣林（1996－），男，沙洲職業(yè)工學(xué)院機(jī)電工程系2016級(jí)機(jī)制專業(yè)學(xué)生；

趙振魯（1989－），男，亞龍智能裝備集團(tuán)股份有限公司工程師，東盟技能大賽工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目專家組成員。