基于PLC和气动技术的轴组件装配控制系统设计

吴卫荣，丁慎平，王应海

(苏州工业园区职业技术学院 机电工程系，江苏 苏州 215123)

轴组件的装配目前大多由人工完成，装配质量往往得不到保证，同型号、同批次的轴组件质检时达不到统一的工艺标准。为保证产品的工艺质量、提高生产效率、降低生产成本，设计或研发自动化设备是当前企业亟待解决的问题之一[1-3]。因此，研制了一套轴组件(轴体、轴套和轴承)自动装配系统。利用PLC实现控制，使用触摸屏实现人机交互，采用气动机构实现装配和补料，并基于机电伺服控制技术的机械手实现产品的自动搬运，提高了产品的精度及一致性[4-5]。

1 系统方案设计

整个系统由轴体上料机构、轴承上料机构、轴套上料机构、搬运机构、产品暂存输送机构、人机交互界面、电气控制部分及框架组成，如图1所示。组装平台如图2所示。

1—电气控制柜；2—轴套上料机构；3—轴组件压装机构；4—轴承上料机构；5—电磁阀组；6—轴体上料机构；7—人机交互触摸屏；8—伺服电动机搬运机构；9—同步带；10—同步齿轮传动轴；11—暂存工位；12—组装平台；13—铝型材框架

1—轴套上料机构；2—压装机构；3—轴承上料机构；4—电磁阀组；5—轴检查传感器；6—轴上料机构；7—暂存治具及产品；8—轴承上料机构气缸；9—轴套上料机构气缸；10—导向机构；11—成品输出气缸；12—调速阀

轴体上料机构主要由轴槽、轴分料装置组成。先将多根轴放入轴槽内，轴分料装置(轴分料气缸)会自动将轴分开，逐次地将轴排列到等待区(图3)。

图3 轴体上料示意图

轴承上料机构主要由弹簧送料的轴承槽和轴承送料机构(气缸)组成。将多套轴承放入轴承槽内，轴承槽内的弹簧顶住轴承，当轴承送料机构在原位(空位)时，弹簧自动将轴承补进送料机构，然后由轴承送料气缸将轴承送到压装工位。

轴套上料机构主要由弹簧送料的轴套槽和轴套送料机构(气缸)组成。将多个轴套放入到轴套槽内，轴套内的弹簧顶住轴套，当轴套送料机构在原位(空位)时，弹簧自动将轴套补进送料机构，然后由轴套送料气缸将轴套送到压装工位。

搬运机构由左右移动装置(伺服电动机、同步带等)、上下升降气缸、旋转气缸和夹紧/松开装置组成，其结构如图4所示。将轴体从轴上料机构取出，送至装配工位，并将装配好的轴组件运至产品暂存工位(治具)。

1—旋转气缸；2—传动轴；3—伺服电动机；4—同步齿轮同步带；5—上下升降气缸；6—气爪夹/松气缸；7—气爪

暂存输送机构通过伺服电动机定位控制把装配好的轴组件存储在暂存治具上，待暂存治具满位后，输送气缸动作，输送出所有成品轴。

2 硬件设计及组态

2.1 设备选型

(1)执行机构。系统选用AIRTAC的各类气缸和KINCO电动机作为执行器。其中，轴体上料机构和轴承、轴套送料机构以及输送机构各有1个双作用气缸；搬运机构有1个上下升降双作用气缸、1个可旋转180°的双作用旋转气缸和2个控制气爪夹紧和松开的双作用扁平气缸；压装机构有1个扁平(方形活塞杆)双作用气缸。同步齿轮选用11个齿，齿间距为5 mm。电动机选用1个KINCO伺服电动机(配伺服驱动器)。

(2)检测部分。每个双作用气缸均配置了2个磁感应传感器，用于检测活塞运行是否到位；选用了2个气压转换开关用于测定压装轴承和轴套的2种压力；选用了1个红外光电漫反射传感器用于检测轴体上料机构等待区有无轴体；选用了2个机械式限位开关(极限保护)保证伺服机构安全运行。

(3)控制系统。选用FX2N PLC；为了便于控制和安全起见(防止意外掉电)，每个气缸均选用了1个二位五通双控电磁阀和2个单向调速节流阀。操作部分配置启动按钮(绿灯)、停止按钮(红灯)、复位按钮(黄灯)，消除报警信号、解除复位按钮(黑色)以及用于手动/自动运行方式切换的选择开关。

(4)人机界面。从性价比考虑，选用了WeintekMT506MV触摸屏，画面编辑软件使用Easy Builder软件。

2.2 I/O地址分配及接线

选用FX2N-80MT PLC，分别有40个输入、输出口，地址分配及接线如图5所示。

图5 FX2N-80MT PLC接口

2.3 气动系统回路

根据系统方案及系统运行的初始状态(初始位置)，绘制的气动系统回路如图6所示。要注意的是：当气动系统接上气源时，前、后分料气缸初始处于伸出状态，挡住轴体；气爪夹紧/松开气缸初始也处于伸出状态，气爪处于打开状态。

图6 气动系统回路示意图

3 系统软件设计

3.1 程序流程设计

根据工艺要求，需要设计自动、手动两种操作模式，设计思路如图7所示。

图7 程序设计思路

根据工作流程的要求，PLC的单周期程序流程如图8所示。进行具体编程设计时，结合PLC编程软件GX-Developer V8.6，采用比较简洁的SFC编程方式，可便于调试或运行监控。

图8 单周期程序流程图

3.2 编程及调试

根据PLC编程软件的特征，需要建立2个块：块0作为公共信息，编程语言选用梯形图(LAD)；块1作为工艺流程信息，编程语言选用SFC。

在块0中包含以下内容：

(1)PLC上电初始化复位，主要是对所使用的M，D，Y，C，S等进行区域复位；

(2)系统运行初始状态检测及人工复位程序；

(3)自动运行模式中启动信号的处理；

(4)模式制约信号处理，在手动模式下将自动模式中所使用到的M，S，D，C等复位，反之亦然；

(5)定时器、计数器信号处理；

(6)故障信号显示及复位，可以使用S900-S999来存储状态，然后通过触摸屏显示；

(7)集中输出处理。

需要注意的是：初始状态位S0需要在块0中设置，设置时要考虑PLC上电、手动/自动模式转化等几种情况；对于输出信号条件，有手动、自动和复位3种情况，注意不要出现双重线圈。

程序编制完成后，下载到PLC中进行调试，同时调整单向节流阀优化气缸的运行速度，在触摸屏上调整伺服电动机的运行速度值，使机械手运行平稳、可靠；另外检查轴体、轴和轴套装配的质量，调节触摸屏中压力的值，满足压装精度。

4 结束语

(1)试验证明，该系统整体配合良好，运行平稳，在满足控制精度和稳定性的情况下能以每2～3 min组装1个组件的速度运行，提高了效率。

(2)系统引入伺服电动机后，可以进行多位置的设定，定位准确，最大可以实现8段不同的运行速度。

(3)轴组件装配系统采用PLC和气动技术代替人工装配方案，系统可控性、灵活性增强，硬件维护工作量减小，工艺标准统一，成品合格率有较大提高。

(4)系统采用触摸屏，优化了人机交互，便于数据更改和监控设备运行情况。

(5)该系统主要针对中小型轴组件的装配，对于大型轴组件，只要对压装机构进行改造即可，如选用液压缸代替气动缸来进行压装，加大对轴体、轴承和轴套装配的压合力。