梅 淼， 布升強， 王子洋， 楊家富

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

汽車萬向傳動軸的鉆孔和壓銷通常由鉆床和壓銷裝置實現(xiàn)，壓力大小和位移不可控，裝配質(zhì)量得不到保證，存在效率低、精度不夠、工作強度大等問題。

本研究設(shè)計了一種基于PLC和觸摸屏的萬向傳動軸半自動壓銷機控制系統(tǒng)，先對萬向傳動軸進行鉆孔，再將萬向傳動銷精確壓入萬向傳動軸中完成沖鉚作業(yè)，有效地提高了壓銷作業(yè)的質(zhì)量[1-2]。

1 控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)

1.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

半自動壓銷機機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下壓機構(gòu)、銷頭固定機構(gòu)、鉆孔壓銷機構(gòu)、自動送料機構(gòu)、主體機架及PLC系統(tǒng)等組成。主體機架作為整體支撐；鉆孔壓銷機構(gòu)包括導向機構(gòu)、動力頭機構(gòu)和壓銷機構(gòu)；壓銷機構(gòu)與動力頭機構(gòu)固定在鉆孔壓銷機構(gòu)左側(cè)的導向機構(gòu)上，鉆孔壓銷機構(gòu)兩側(cè)的動力頭機構(gòu)對齊安裝；鉆孔壓銷機構(gòu)中的壓銷機構(gòu)位于銷頭固定機構(gòu)的左側(cè)，與左側(cè)的動力頭機構(gòu)一起固定在導向機構(gòu)上。自動送料機構(gòu)包括振動盤和支架，振動盤料斗下有脈沖電磁鐵，可以使料斗作垂直方向振動，由傾斜的彈簧片帶動料斗繞其垂直軸做扭擺振動，內(nèi)置電磁振動控制器控制振動馬達的頻率從而調(diào)節(jié)工件的移動效率[3]。

1.2 邏輯過程設(shè)計

在PLC系統(tǒng)中存儲多種指令，包括定位油缸的伸出和復位、壓緊油缸的壓縮和伸出、夾抱氣缸的松開和夾緊、動力頭的進給與后退，以及液壓系統(tǒng)減壓閥、油泵電機和振動盤的控制指令等，使壓銷作業(yè)自動運行，壓銷系統(tǒng)的控制邏輯框圖如圖2所示。

圖1 半自動壓銷機機械結(jié)構(gòu)1.下壓機構(gòu)；2.銷頭固定機構(gòu)；3.鉆孔壓銷機構(gòu)；4.自動送料機構(gòu)；5.主體機架；6.動力頭機構(gòu)

圖2 壓銷系統(tǒng)控制邏輯框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計提出的壓銷機控制系統(tǒng)由氣壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、光電開關(guān)、PLC和電氣控制柜等組成。氣壓系統(tǒng)為壓銷機夾持單元提供足夠的壓力和支撐力；光電開關(guān)、磁性開關(guān)、接近開關(guān)用于限位和檢測氣缸、油缸和壓裝位置，確保裝配動作的準確性，并且將信號反饋給PLC；電氣控制柜采用PLC+繼電器的控制方式，可以對液壓系統(tǒng)及氣壓系統(tǒng)實現(xiàn)準確的控制[4]?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.1 液壓與氣動回路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案及系統(tǒng)運行的初始狀況要求，涉及到的氣缸和油缸動作包括工進和工退，且都是單動缸，以單邊電磁閥控制動作，每個氣缸和油缸的電氣控制與動作原理相同，氣動原理如圖4所示。假設(shè)氣缸A，從圖4(a)氣動時序圖可以看出，按鈕PB1和按鈕PB2只有ON和OFF兩種狀態(tài)，氣缸A的動作情況由PB1和PB2的狀態(tài)決定。當按鈕開關(guān)PB1 ON，則氣缸前進A+。此時放開PB1(PB1 OFF)氣缸仍保持在前位狀態(tài)(自保)。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 氣動原理圖

PLC作為壓銷機運行狀況的總控制器，控制電磁閥的開關(guān)，再由電磁閥控制氣缸、油缸的工進和工退，氣缸A的氣動控制電路接線如圖5所示。本壓銷機控制系統(tǒng)涉及的所有油缸與氣缸的控制電路與圖5一致，且分布在不沖突的PLC輸入輸出口。

圖5 氣壓與液壓控制電路

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)要求，在已知控制功能和執(zhí)行部件的特性后，將PLC節(jié)點按各自性能分區(qū)集中設(shè)置，方便后期的維護和編程。由于本系統(tǒng)控制量超過20個開關(guān)量，故選用有40入/40出繼電器的三菱FX2N-80MR型PLC，該系列PLC具有良好的抗干擾能力與電磁兼容特點完全能勝任相對惡劣的車間環(huán)境[5]。該半自動壓銷機電氣控制系統(tǒng)電氣原理如圖6所示。

圖6 半自動壓銷機電氣控制系統(tǒng)電氣原理

2.3 PLC的I/O分配

PLC輸入/輸出地址分配見表1。PLC的輸出端Y034控制中間繼電器線圈，控制液壓電機M0的啟動和停止，輸出端Y1～Y17、Y20、Y21，Y24～Y27、Y35、Y36、Y40分別控制機床各運動的中間繼電器線圈，Y1～Y10、Y11～Y17，Y20、Y21、Y24～Y27分別控制液壓油缸的電磁換向閥信號，Y0控制系統(tǒng)電磁溢流閥的信號，Y23是油壓傳動閥控制信號，Y37是電磁振動控制器的信號，Y30～Y33控制各類信號燈狀態(tài)。

表1 I/O分配表

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由PLC梯形圖程序和觸摸屏程序組成。PLC梯形圖程序是系統(tǒng)檢測和控制的核心，觸摸屏程序主要用來設(shè)置壓銷機的動作過程和實時顯示狀態(tài)信息。通過壓銷機的功能需求分析可知，檢測系統(tǒng)面向多個對象，其操作功能也存在多樣性，軟件系統(tǒng)主要分為檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和觸摸屏觸控系統(tǒng)三大部分。軟件功能模塊如圖7所示。

圖7 軟件功能模塊

3.1 主程序設(shè)計

已知系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，針對壓銷機控制系統(tǒng)的軟件程序主要包括主程序、中斷程序以及各類子程序。其中，主程序主要用于控制壓銷機系統(tǒng)的壓銷動作流程，可調(diào)用各類功能模塊子程序；子程序包括初始化程序、監(jiān)控報警程序和觸摸屏設(shè)置程序等[6]。

壓銷機控制器的核心PLC周而復始地掃描并執(zhí)行每條程序，并調(diào)用各種子程序，從而完成整套控制流程。PLC利用GXWorks2編程軟件，設(shè)計了手動和自動兩種工作模式。手動工作模式下，通過觸摸屏進行各機構(gòu)的點動操作，單獨控制氣缸和油缸的動作，包括動力頭前進后退、動力頭滑臺前進后退、銷送料滑臺前進后退和沖鉚伸出和縮回動作，通過編程將按鈕按下后的信號轉(zhuǎn)化成輸出信號驅(qū)動相關(guān)機構(gòu)動作；在自動工作模式下，整個系統(tǒng)運行過程是按照預設(shè)程序順序動作，只有當前一個動作完成后才能進行下一動作，每完成一整套動作后，所有的機械動作進行復位，并進行下一工件的加工[7-8]。主程序設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖8 主程序設(shè)計流程圖

3.2 觸摸屏程序設(shè)計

觸摸屏程序設(shè)計利用了EasyBuilder PRO組態(tài)軟件，與編程軟件GX Works2集成，統(tǒng)一相同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫和使用的組態(tài)軟件。觸摸屏界面包括主控界面、手動操作界面；監(jiān)控界面包括手動操作、I/O狀態(tài)和報警狀態(tài)[9]。選定任意子界面，可方便快捷地了解設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備動作參數(shù)，實時監(jiān)控設(shè)備運行情況。使用觸摸屏的方式，簡化了操作流程，容易學習，呈現(xiàn)出友好的人機關(guān)系[10]。該半自動壓銷機控制系統(tǒng)手動操作界面如圖9所示。

圖9 半自動壓銷機控制系統(tǒng)手動操作界面

4 結(jié)束語

設(shè)計的半自動萬向傳動軸壓銷機控制系統(tǒng)，經(jīng)反復調(diào)試最終達到設(shè)計要求，實現(xiàn)了對萬向傳動軸壓管、打孔和沖鉚的自動化操作。利用三菱PLC、西門子觸摸屏、氣動控制、液壓控制和電氣控制技術(shù)等性能優(yōu)良的新技術(shù)，自主研制開發(fā)出一套集顯示、操作、報警、調(diào)試、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葹橐惑w的多功能半自動壓銷機控制系統(tǒng)，簡化了繁瑣的人工操作，增強了系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，提高了作業(yè)中的自動化水平。