陳 雪， 梅 淼， 楊家富

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著汽車擁有量的不斷增長(zhǎng)，汽車行駛的安全性得到了大家的普遍重視。高質(zhì)量的輪轂是安全行駛的必要條件，輪轂裝配時(shí)需進(jìn)行一系列的檢測(cè)，現(xiàn)有的人工檢測(cè)方式落后且效率低。為改善這種狀況，設(shè)計(jì)了一種輪轂接觸式固定裝置，結(jié)合工藝確定控制系統(tǒng)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，該裝置自動(dòng)化程度高，能夠同時(shí)測(cè)量輪轂配合、螺栓高度和個(gè)數(shù)，具有較高的檢測(cè)精度。

1 輪轂固定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪轂固定裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)裝置包括承載臺(tái)、絲桿滑塊裝置、頂升連桿組件、兩個(gè)相同的半圓形固定盤(pán)以及外殼。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖1.工作臺(tái)；2.光滑導(dǎo)向桿；3.絲桿；4.倒L型固定支座；5.頂升桿；6.月牙形半圓盤(pán)；7.橫桿；8.電機(jī)

裝置的絲桿滑塊組件包括伺服電機(jī)、絲桿、絲桿左右分布的導(dǎo)向用光桿、滑塊和固定用支座。頂升連桿組件包括主連桿和兩個(gè)小連桿，頂升裝置主連桿下端與滑塊通過(guò)螺栓和螺母連接，其上端的圓軸與另外兩個(gè)分別朝向左右兩邊的小連桿相連。小連桿分別與兩個(gè)相同的半圓形固定盤(pán)通過(guò)螺栓和螺母連接，連桿間、螺栓與螺母間均有彈性緩沖墊，半圓形固定盤(pán)在與直徑重合的一端開(kāi)槽，形成兩個(gè)耳形，用于和上述的小連桿相連。兩耳外側(cè)開(kāi)槽向內(nèi)形成斜坡，便于螺栓插入，外殼在半圓形固定盤(pán)上下的位置加厚，限制固定盤(pán)的徑向移動(dòng)，確保固定盤(pán)準(zhǔn)確伸出。

1.2 輪轂固定裝置工作流程

裝置的工作流程如圖2所示，輪轂傳送至固定裝置時(shí)，絲桿底部的電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的滑塊向上發(fā)生移動(dòng)，帶動(dòng)與它相連連桿組件的主連桿向上發(fā)生位移，由于殼體對(duì)半圓盤(pán)的限制，兩側(cè)小連桿圍繞主連桿中間的圓軸向外展開(kāi)，兩個(gè)半圓形固定盤(pán)推出，實(shí)現(xiàn)打開(kāi)動(dòng)作，卡住輪轂內(nèi)側(cè)，固定住輪轂。檢測(cè)完畢后，電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的滑塊向下移動(dòng)，與之相連的主連桿向下發(fā)生位移，兩個(gè)半圓形的固定盤(pán)離開(kāi)輪轂內(nèi)側(cè)，完成輪轂的卸載，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是否送回。

圖2 工作流程圖

2 輪轂固定裝置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

輪轂組件檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，該裝置由PLC控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)以及觸摸屏觸控系統(tǒng)三部分組成，PLC控制系統(tǒng)用于完成對(duì)固定裝置作業(yè)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制，檢測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)輪轂螺栓高度及個(gè)數(shù)的檢測(cè)，觸摸屏觸控系統(tǒng)提供工作模式選擇和工作狀態(tài)的顯示。

圖3 輪轂組件檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特性，輪轂固定裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

(1)能夠按照輪轂檢測(cè)原有的節(jié)奏進(jìn)行；

(2)方便對(duì)輪轂組件的參數(shù)進(jìn)行收集和整理，并完成輪轂性能的檢測(cè)；

(3)安全、可靠性高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)輪轂固定裝置的工作狀態(tài)，可在緊急情況下完成急停操作。

2.1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)用以實(shí)現(xiàn)輪轂螺栓高度及個(gè)數(shù)的檢測(cè)，從功能上分為參數(shù)采集裝置、數(shù)據(jù)接收裝置、接近開(kāi)關(guān)。

(1)參數(shù)采集、接收裝置：該裝置利用傳感器將信號(hào)采集到PLC控制系統(tǒng)；

(2)接近開(kāi)關(guān)：在信號(hào)傳輸完成后開(kāi)始休眠，再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí)喚醒檢測(cè)，開(kāi)始新一輪的數(shù)據(jù)采集。

2.1.3 觸摸屏觸控系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于顯示檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。作業(yè)時(shí)可以通過(guò)觸摸屏界面上顯示的結(jié)果，清晰地觀察、判別輪轂組件的合格情況。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不滿足設(shè)定的要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)顯示報(bào)警信息。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輪轂固定裝置的可編程邏輯控制器需要有充足的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，以滿足控制要求，同時(shí)盡量降低成本。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，選擇日本三菱公司FX系列PLC系統(tǒng)，其中控制和工藝過(guò)程要求10個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)數(shù)，8個(gè)開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)數(shù)。因FX2N-32MR是32點(diǎn)的PLC模塊，有滿足系統(tǒng)數(shù)量要求的接線端子，所以本裝置執(zhí)行元件選擇為FX2N-32MR。控制系統(tǒng)電氣原理如圖 4所示。

圖4 控制系統(tǒng)電氣原理

基礎(chǔ)模塊FX2N-32MR元件的輸入電壓是220 V的交流電壓，數(shù)字輸入端提供系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位、緊急停止的開(kāi)關(guān)，自動(dòng)、手動(dòng)模式兩種選擇模式，下降、上升、夾緊、松開(kāi)等按鈕，以及示數(shù)異常的指示顯示特別開(kāi)關(guān)。輸出端與24 V的直流電源相連接，用于驅(qū)動(dòng)指示燈、電機(jī)啟動(dòng)交流接觸器控制繼電器線圈、電磁閥線圈。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)指示燈L0亮起；選擇自動(dòng)和手動(dòng)兩種不同的模式時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈L1、L2亮起；裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)如有意外發(fā)生，系統(tǒng)的故障指示燈L3將亮起，可以通過(guò)緊急停止開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)斷電急停。

2.2.2 觸摸屏觸控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)整機(jī)的操控，本裝置設(shè)計(jì)一面板操作平臺(tái)。通過(guò)面板上的顯示、操作和輔助系統(tǒng)與機(jī)器進(jìn)行信息交互，針對(duì)機(jī)器可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，觸控系統(tǒng)的觸摸屏操作面板安裝了急停按鈕和整機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。觸摸屏操作面示意圖如圖5所示，其主界面實(shí)時(shí)顯示裝置的運(yùn)行狀態(tài)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯示、氣缸定位及夾緊狀態(tài)顯示。

圖5 觸摸屏操作面示意圖

3 輪轂固定裝置軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、顯示模塊三個(gè)模塊。當(dāng)該輪轂固定裝置對(duì)輪轂螺栓的高度以及其個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以顯示為合格作業(yè)，或者對(duì)不合格作業(yè)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。檢測(cè)流程圖如圖6所示。

圖6 檢測(cè)流程圖

4 結(jié)論

根據(jù)輪轂檢測(cè)的需要和技術(shù)指標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的輪轂接觸式固定裝置控制系統(tǒng)。該裝置能夠同時(shí)檢測(cè)輪轂配合、螺栓高度以及個(gè)數(shù)，提高檢測(cè)精度；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并立即終止故障環(huán)節(jié)，并對(duì)故障情況進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，裝置應(yīng)用于南京某公司的輪轂檢測(cè)線，運(yùn)用效果較好，具有很高的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。