秦萍

【摘 ?要】機(jī)械裝配工藝過(guò)程的自動(dòng)化，是機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)。論文介紹了自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、PLC控制設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法。

【Abstract】The automation of mechanical assembly process is an important basis for the automation of mechanical manufacturing system. This paper introduces the structure of the automatic machining and assembly system， the PLC control design scheme， and the problems and solutions encountered in the process of system debugging.

【關(guān)鍵詞】加工裝配;機(jī)械手;步進(jìn)電機(jī);組態(tài)

【Keywords】processing and assembly; robot; stepper motor; configuration

【中圖分類(lèi)號(hào)】TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0173-03

1 引言

機(jī)械裝配工藝過(guò)程的自動(dòng)化，是機(jī)械制造系統(tǒng)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)。自動(dòng)加工裝配生產(chǎn)線(xiàn)，可以解決人工裝配工作容易出現(xiàn)誤差和故障的問(wèn)題，工件檢測(cè)需要通過(guò)人工將設(shè)備搬運(yùn)至檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)、無(wú)法形成完整的生產(chǎn)線(xiàn)、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。設(shè)計(jì)的自動(dòng)加工裝配生產(chǎn)系統(tǒng)，包括加工區(qū)、裝配區(qū)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手。通過(guò)機(jī)械手及加工裝配設(shè)備的合理分布，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的供料、加工、裝配、檢測(cè)及入庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)工件的加工、裝配和檢測(cè)的全面自動(dòng)化，可以減少操作人員因素造成的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，系統(tǒng)主要由控制器、觸摸屏、旋轉(zhuǎn)裝配臺(tái)、檢測(cè)傳感器、機(jī)械手等組成。

2 自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)由供料倉(cāng)、緩沖臺(tái)、機(jī)械手、加工裝配臺(tái)組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)料倉(cāng)，分別放置工件1和工件2，每個(gè)料倉(cāng)裝設(shè)光電傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)工件存量。緩沖臺(tái)安裝一只光電傳感器，用于檢測(cè)工件是否正常推入緩沖臺(tái)。機(jī)械手由4個(gè)氣缸組成氣動(dòng)部件，分別控制機(jī)械手的上下、左右、伸縮、夾緊和松開(kāi)動(dòng)作，機(jī)械手的行走利用步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器控制。加工裝配臺(tái)由可轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械部件及氣缸、電磁閥、傳感器組成。電磁閥是電磁控制設(shè)備，是控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，具有響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)作可靠、維修方便和體積小等優(yōu)點(diǎn)。電磁閥利用電磁鐵推動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度，多用于接通、切斷或轉(zhuǎn)換氣路和液路。電磁閥有多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的作用不同，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。選擇的電磁閥電壓規(guī)格為DC 24V，電壓允許波動(dòng)范圍為±%10左右。電磁閥具有開(kāi)關(guān)信號(hào)控制，便于實(shí)現(xiàn)PLC控制，所組成的自控系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行。根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，設(shè)計(jì)選用常開(kāi)型電磁閥。單電控閥只有一個(gè)線(xiàn)圈，得電為一個(gè)狀態(tài)，線(xiàn)圈失電時(shí)二位閥自動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)中推料氣缸和裝配臺(tái)氣缸動(dòng)作時(shí)間較短，均采用單電控電磁閥，在保證控制功能前提下可以節(jié)約PLC輸出端口數(shù)量。雙電控自保持電磁閥線(xiàn)圈通過(guò)脈沖式的電源工作，可以避免線(xiàn)圈長(zhǎng)期通電發(fā)熱和互相沖突，可靠性高。系統(tǒng)中由于機(jī)械手動(dòng)作氣缸動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，均設(shè)計(jì)采用雙電控電磁閥。裝配臺(tái)設(shè)計(jì)有4個(gè)裝配區(qū)，可以放入多個(gè)待裝配工件，提高裝配效率，如圖1所示。

3 自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)工作流程

工件1由料倉(cāng)1中推入緩沖臺(tái)，機(jī)械手將緩沖臺(tái)上工件1抓取運(yùn)送到裝配臺(tái)待裝配區(qū)，裝配臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)將待裝配工件運(yùn)送到裝配區(qū)，與料倉(cāng)2中的工件2進(jìn)行裝配。裝配完成后，裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)將裝配完成的產(chǎn)品運(yùn)送到檢測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)后的產(chǎn)品運(yùn)送到入庫(kù)區(qū)，機(jī)械手將合格的產(chǎn)品運(yùn)送到成品庫(kù)，不合格的產(chǎn)品運(yùn)送到廢品庫(kù)。系統(tǒng)工作過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，按下停止按鈕，系統(tǒng)立即停止工作，所有動(dòng)作氣缸縮回。工件料倉(cāng)出現(xiàn)缺料情況時(shí)，觸摸屏上相應(yīng)報(bào)警燈亮，及時(shí)補(bǔ)足工件。

4 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

在觸摸屏人機(jī)畫(huà)面上進(jìn)行組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)，包括主畫(huà)面、模式選擇畫(huà)面、測(cè)試畫(huà)面、自動(dòng)加工裝配4個(gè)畫(huà)面。

4.1 主畫(huà)面組態(tài)要求

觸摸屏上電后自動(dòng)進(jìn)入主畫(huà)面，主畫(huà)面設(shè)計(jì)要求：

①在主畫(huà)面顯示“自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)”字樣和自動(dòng)加工裝配系統(tǒng)圖片。

②在主畫(huà)面放置“模式選擇”按鈕，按下此按鈕，進(jìn)入模式選擇畫(huà)面。

4.2 模式選擇畫(huà)面組態(tài)要求

①在第一行顯示“模式選擇”。

②模式選擇畫(huà)面上設(shè)置“測(cè)試模式”“自動(dòng)加工裝配模式”按鈕，這時(shí)按下“測(cè)試模式”按鈕，觸摸屏進(jìn)入測(cè)試畫(huà)面;按下“自動(dòng)加工裝配模式”按鈕，進(jìn)入自動(dòng)加工裝配模式畫(huà)面。

4.3 測(cè)試畫(huà)面組態(tài)要求

①畫(huà)面顯示“系統(tǒng)測(cè)試”文字，設(shè)置系統(tǒng)所有設(shè)備“初始狀態(tài)”指示燈。

②設(shè)置裝配臺(tái)“順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)”“逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)”，機(jī)械手“上升”“下降”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“夾緊”“松開(kāi)”“前行”“后退”“復(fù)位”按鈕及“返回模式選擇”的按鈕。

4.4 自動(dòng)加工裝配畫(huà)面組態(tài)要求

①設(shè)置“自動(dòng)加工裝配”文字。

②設(shè)置“啟動(dòng)”“停止”按鈕及“初始”“運(yùn)行”指示燈。如果各個(gè)設(shè)備位于初始狀態(tài)，“初始”指示燈亮。此時(shí)才能觸摸“啟動(dòng)”按鈕，“運(yùn)行”指示燈亮，指示當(dāng)前系統(tǒng)處于自動(dòng)加工裝配工作狀態(tài)。

③設(shè)置“返回”按鈕，只有在系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，按下此按鈕才有效，進(jìn)入模式選擇畫(huà)面。

④設(shè)置“合格品數(shù)量”“不合格品數(shù)量”數(shù)字顯示，設(shè)置指示自動(dòng)入庫(kù)中供料異常的指示燈，供料皮帶輸送單元的供料缺料狀態(tài)指示“料倉(cāng)空”，報(bào)警燈以1Hz頻率閃爍。

5 PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作模式分為測(cè)試模式和自動(dòng)加工裝配模式，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，分別建立測(cè)試和自動(dòng)兩個(gè)程序塊，測(cè)試程序塊采用梯形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)加工裝配模式程序塊采用順序功能圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)中機(jī)械手動(dòng)作氣缸均為雙電控電磁閥，編程中要注意避免兩個(gè)線(xiàn)圈同時(shí)得電情況出現(xiàn)，以免造成電磁閥線(xiàn)圈損壞。

5.1 系統(tǒng)的啟動(dòng)

通過(guò)觸摸屏操作進(jìn)入自動(dòng)加工裝配畫(huà)面，檢查系統(tǒng)準(zhǔn)備情況。

①工件倉(cāng)內(nèi)有足夠數(shù)量的工件。

②設(shè)備初始狀態(tài)：機(jī)械手處于下降、右邊、縮回、氣爪松開(kāi)狀態(tài)，位于原點(diǎn)處。旋轉(zhuǎn)裝配臺(tái)處于原點(diǎn)處，頂料氣缸、推料氣缸、裝配氣缸處于縮回狀態(tài)。

上述條件有一條不滿(mǎn)足系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)，可以通過(guò)手動(dòng)方式讓所有設(shè)備進(jìn)入初始狀態(tài)。

5.2 正常運(yùn)行過(guò)程

①按下觸摸屏上“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，“運(yùn)行”指示燈亮。

②進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，將工件1推出到緩沖臺(tái)。若傳感器檢測(cè)到工件倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有工件，觸摸屏上對(duì)應(yīng)報(bào)警燈閃爍。

③緩沖臺(tái)監(jiān)測(cè)到工件，機(jī)械手啟動(dòng)，將工件1抓取運(yùn)送到裝配臺(tái)待裝配區(qū)。

④待裝配區(qū)檢測(cè)到工件，裝配臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將工件1運(yùn)送到裝配區(qū)，頂料氣缸縮回，推料氣缸伸出，將工件2推出，裝配氣缸伸出，將工件2裝入工件1中。

⑤裝配完成后，旋轉(zhuǎn)裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將裝配完成的產(chǎn)品運(yùn)送到檢測(cè)區(qū)，進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)完成后旋轉(zhuǎn)裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將產(chǎn)品運(yùn)送到入庫(kù)區(qū)，機(jī)械手將檢測(cè)合格的產(chǎn)品運(yùn)送到成品庫(kù)，將檢測(cè)不合格的產(chǎn)品運(yùn)送到廢品庫(kù)，觸摸屏上相應(yīng)計(jì)數(shù)器記錄顯示產(chǎn)品數(shù)量。

6 系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及處理方法

6.1 裝配臺(tái)轉(zhuǎn)速緩慢

裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)控制，是一種專(zhuān)門(mén)用于速度和位置精確控制的特種電機(jī)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大器，用于將PLC控制器發(fā)來(lái)的高速脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，通過(guò)控制脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制脈沖數(shù)就可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移。微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)是電流波形控制技術(shù)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)每相繞組電流的波形階梯上升或下降，即在最小和最大值之間有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中也有多個(gè)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的步數(shù)增多、步距角減小功能，提高了步進(jìn)電機(jī)的步矩分辨率、減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，避免了低頻共振現(xiàn)象，同時(shí)降低了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行噪聲。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)成反比，為了提高步進(jìn)電機(jī)的定位精度，將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置增大了，引起裝配臺(tái)轉(zhuǎn)速變慢。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置變化后，需重新設(shè)置PLC設(shè)備組態(tài)中計(jì)數(shù)器通道0的操作參數(shù)。

6.2 裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不正確

造成裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不正確的常見(jiàn)原因是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)接線(xiàn)方式有三種：共陽(yáng)極接法、共陰極接法和差分方式接法。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有光電隔離耦合器，起到與外部電路電氣隔離、抗干擾的作用。選用的是四線(xiàn)電機(jī)高速模式，輸出電流設(shè)定值等于或略小于電機(jī)額定電流值?？梢酝ㄟ^(guò)交換步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)的A+和A-（或B+和B-）接線(xiàn)位置解決此問(wèn)題。另外，裝配臺(tái)工作過(guò)程中，注意觀察步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)聲音、電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)狀態(tài)、檢查發(fā)熱溫升等情況。步進(jìn)電機(jī)方向改變也可以通過(guò)程序設(shè)定方法控制修改，控制方向控制信號(hào)Q0.1的輸出。如果裝配臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，CONNT_300C指令框中的脈沖當(dāng)前值CONUTVAL出現(xiàn)遞減計(jì)數(shù)，可以通過(guò)將PLC設(shè)備組態(tài)中計(jì)數(shù)器通道2的輸入設(shè)定為脈沖“計(jì)數(shù)方向反向”來(lái)修改為遞增計(jì)數(shù)。

6.3 工件裝配不進(jìn)去

分析原因是旋轉(zhuǎn)裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)定位誤差較大，造成工件沒(méi)有完全送入裝配區(qū)，無(wú)法順利完成裝配工作。單獨(dú)編寫(xiě)裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)位置脈沖測(cè)試程序，記錄裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到待裝配區(qū)、裝配區(qū)、監(jiān)測(cè)區(qū)等關(guān)鍵位置脈沖數(shù)，反復(fù)測(cè)試調(diào)整裝配臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確裝配。

6.4 氣缸部件動(dòng)作出現(xiàn)擺動(dòng)

在調(diào)試過(guò)程中，機(jī)械手的轉(zhuǎn)運(yùn)工件動(dòng)作及裝配過(guò)程中采用了多個(gè)氣缸執(zhí)行元件，流程中各個(gè)動(dòng)作功能的切換通過(guò)傳感器條件控制，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件慣性，出現(xiàn)氣動(dòng)部件動(dòng)作銜接過(guò)快導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)擺動(dòng)。如果機(jī)械手此時(shí)抓取有工件，可能會(huì)導(dǎo)致工件掉落等異常情況。解決方法：一是通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸節(jié)流閥控制流量，減少氣動(dòng)執(zhí)行元件慣性;二是在程序中加入延時(shí)控制，將傳感器觸點(diǎn)和定時(shí)器觸點(diǎn)串聯(lián)作為動(dòng)作功能轉(zhuǎn)換條件。采用程序中加延時(shí)控制方法，各個(gè)動(dòng)作功能轉(zhuǎn)換的延時(shí)時(shí)間可以根據(jù)動(dòng)作實(shí)際情況方便的設(shè)定，保證動(dòng)作銜接的可靠性，靈活方便、效果良好。

6.5 傳感器故障

加工裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝了多支傳感器，分別用于各個(gè)氣缸動(dòng)作位置的檢測(cè)，在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了傳感器接線(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致傳感器實(shí)際I/O地址與設(shè)計(jì)的硬件電路中I/O地址不符，造成順序功能圖轉(zhuǎn)換條件錯(cuò)誤，出現(xiàn)不能按照順序功能圖流程正常執(zhí)行的情況。檢查方法：對(duì)照設(shè)計(jì)I/O分配表，逐一檢查傳感器接線(xiàn)，同時(shí)通過(guò)手動(dòng)給傳感器信號(hào)，觀察PLC控制器中對(duì)應(yīng)輸入指示燈的亮滅變化，是否與分配表一致。發(fā)現(xiàn)有不一致的，按照設(shè)計(jì)的I/O分配表進(jìn)行重新接線(xiàn)，必須保持與硬件電路設(shè)計(jì)一致。

7 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)機(jī)械裝配作業(yè)復(fù)雜程度高，需要依靠裝配作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)零件與部件的機(jī)械加工質(zhì)量及配套情況，采取適合的裝配工藝措施，保證裝配質(zhì)量，對(duì)裝配人員技能要求較高。工裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)采用了高精度的定位控制技術(shù)及傳感檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝配自動(dòng)化，提高了裝配精度的一致性，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，使得裝配工人擺脫了繁重的手工裝配勞動(dòng)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)率、降低了生產(chǎn)成本。

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