旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備開發(fā)

鄭志偉，嚴(yán)思杰，黃三來

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074; 2.寧波永佳電子科技有限公司，浙江寧波315326)

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)，即小型旋轉(zhuǎn)編碼器，是一種能產(chǎn)生有規(guī)律且嚴(yán)格時(shí)序脈沖的開關(guān)電子元件，具有音量調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、菜單選擇、頻率調(diào)節(jié)等參數(shù)控制功能，廣泛應(yīng)用于多媒體音箱、家用電器、玩具、醫(yī)療設(shè)備。旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的電氣性能重要檢測(cè)項(xiàng)目有震蕩、滑動(dòng)雜聲、滑動(dòng)噪聲、相位差。如圖1所示，人工檢測(cè)時(shí)，須先將3只 (有些型號(hào)是5只)信號(hào)引腳通過觸頭座與編碼器測(cè)試儀連通，再通過轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，產(chǎn)生時(shí)序脈沖，從而由測(cè)試儀判斷合格性。由于旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)型號(hào)眾多、產(chǎn)量大，人工檢測(cè)效率低，往往會(huì)影響交貨期;同時(shí)手工轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，無法保證轉(zhuǎn)速均勻，使輸出波形不穩(wěn)定，從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

文中介紹的旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備通過振動(dòng)盤自動(dòng)上料，以伺服電機(jī)和氣動(dòng)元件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用基于PLC和組態(tài)王的運(yùn)動(dòng)控制監(jiān)視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)檢測(cè)過程的自動(dòng)化。

圖1 人工檢測(cè)示意圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 基本組成及工作原理

如圖2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由振動(dòng)盤、上料機(jī)構(gòu)、隨行夾具 (未示出)、氣動(dòng)分度盤、定位夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)、分選機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，振動(dòng)盤將待測(cè)工件 (旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān))按特定姿態(tài)排序，并使其緊密排列在待料導(dǎo)軌上;上料機(jī)構(gòu)上的真空吸盤將待料導(dǎo)軌末端的工件抓取并放入上料工位上的隨行夾具中;四等分氣動(dòng)分度盤在每個(gè)等分位置上有一套可分開隨行夾具，上料動(dòng)作完成后，氣動(dòng)分度盤旋轉(zhuǎn)90°，使裝有工件的隨行夾具運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)位，同時(shí)空閑隨行夾具進(jìn)入上料位;在檢測(cè)位，定位夾緊機(jī)構(gòu)首先將隨行夾具上的工件固定夾緊，使引腳與觸頭良好接觸，然后旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位，夾持住主軸并旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)動(dòng)完所需角度后，旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)松開，接著定位夾緊機(jī)構(gòu)退離，完成檢測(cè);氣動(dòng)分度盤將已檢測(cè)的裝有工件的隨行夾具運(yùn)動(dòng)到分選位后，分選機(jī)構(gòu)將隨行夾具分開，已測(cè)工件按檢測(cè)結(jié)果分別落入合格品滑槽和不合格品滑槽;分選完成后，隨行夾具并和，等待進(jìn)入上料位。整個(gè)系統(tǒng)如此循環(huán)，高效、準(zhǔn)確地對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.2 振動(dòng)盤與氣動(dòng)分度盤

振動(dòng)盤，即電磁振動(dòng)料斗，在自動(dòng)化設(shè)備中用于工件的整理篩選和排序。在該設(shè)備中，待測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的引腳需與固定方向的觸頭接觸，旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)也對(duì)主軸的方向有要求，故需使用振動(dòng)盤對(duì)工件進(jìn)行排序。同時(shí)，規(guī)則排列的工件也便于上料。

氣動(dòng)分度盤是多工位生產(chǎn)線和裝配線中常用的設(shè)備。它與凸輪分割器相比，具有運(yùn)動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間可調(diào)、啟停方便等優(yōu)點(diǎn);與步進(jìn) (伺服)電機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相比，具有控制簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使用的IT-320為四等分立式氣動(dòng)分度盤，最大承受質(zhì)量120 kg，分度精度θ為±15'，所用旋轉(zhuǎn)盤直徑D為600 mm，則旋轉(zhuǎn)盤邊緣的隨行夾具的位移誤差

a約為±0.02 mm，可保證工件引腳與觸頭的良好接觸以及旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確夾持主軸。

1.3 隨行夾具

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)屬于異形工件，若以導(dǎo)軌或傳送帶的方式進(jìn)料，雖能與振動(dòng)盤待料導(dǎo)軌直接銜接，有利于上料，但卻不便于工件檢測(cè)時(shí)的定位以及檢測(cè)后的分選;同時(shí)，為充分利用系統(tǒng)、提高效率，設(shè)備應(yīng)能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)工件，且能適用于外形、尺寸相近的不同型號(hào)工件。為此，設(shè)計(jì)了如圖3所示的隨行夾具。該夾具可從中間分開，一次可裝載4個(gè)工件 (可擴(kuò)展，以裝載更多工件)，只需裝配相適應(yīng)的夾具，整套系統(tǒng)就能檢測(cè)不同型號(hào)的工件。

圖3 隨行夾具

氣動(dòng)分度盤的每個(gè)等分位置都安裝有一套隨行夾具，當(dāng)氣動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)，隨行夾具即實(shí)現(xiàn)工位的轉(zhuǎn)換，完成工件的傳送。分度盤的分度精度確定了隨行夾具到位后的定位精度。如圖3所示，在分選之前，夾具兩半由彈簧并和在一起;當(dāng)隨行夾具到達(dá)分選位，氣缸使夾具分開，已測(cè)工件在重力的作用下落入夾具下方的分選槽中，實(shí)現(xiàn)分選。

1.4 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的主軸是長(zhǎng)為12 mm、直徑為6 mm的2/3圓柱，結(jié)構(gòu)較小，不易夾持。主軸須在檢測(cè)過程中旋轉(zhuǎn)，且要求旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)夾持放松簡(jiǎn)單、快速、不能損傷主軸。參考數(shù)控機(jī)床刀具夾緊方式及自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)［1］，設(shè)計(jì)了如圖4所示的旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)。

圖4 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)剖視圖

對(duì)工件主軸進(jìn)行夾持旋轉(zhuǎn)過程為:由氣缸驅(qū)動(dòng)的頂桿 (未示出)推動(dòng)彈簧壓桿向上運(yùn)動(dòng)，彈簧壓縮，夾頭放松，機(jī)構(gòu)處于放松狀態(tài)，之后整個(gè)機(jī)構(gòu)朝工件主軸運(yùn)動(dòng);當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到工件主軸伸入夾頭適當(dāng)長(zhǎng)度后，頂桿退出，彈簧復(fù)位，夾頭軸向移動(dòng)，在斜楔的作用下夾緊工件主軸，機(jī)構(gòu)處于夾持狀態(tài);之后，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝸桿帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主軸的旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)動(dòng)完成后，頂桿又推動(dòng)彈簧壓桿向上運(yùn)動(dòng)，彈簧壓縮，夾頭放松;在機(jī)構(gòu)處于放松狀態(tài)下，整個(gè)機(jī)構(gòu)退出主軸，等待下一批待測(cè)工件。

圖5為旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)中的夾頭，其外形類似于R8銑夾頭(R8嗦咀)，頂部為帶數(shù)個(gè)細(xì)槽的錐軸，尾部有與彈簧壓桿配合的螺紋孔。瓣數(shù)為3，對(duì)不同力矩的工件可選用不同瓣數(shù)的夾頭。其夾緊力為［2］

圖5 夾頭

其中:W為夾緊力(N);

Q為軸向拉力(N);

φ2為夾頭與套筒之間的摩擦角;

α為夾頭錐角一半;

R為消耗于簧瓣變形的力 (N);

K為與夾頭瓣數(shù)有關(guān)的系數(shù) (3瓣時(shí)，K=600);

D為夾頭彎曲部分的外徑(mm);

L為夾頭懸臂長(zhǎng)度(mm);

t為夾頭彎曲部分的厚度(mm);

Δ為夾頭與工件之間的最大間隙 (mm)。

夾緊力的大小與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩相適應(yīng)，軸向拉力由壓縮彈簧提供，由此可確定壓縮彈簧尺寸及頂桿氣缸的缸徑。

為了與隨行夾具相適應(yīng)，采用4個(gè)共線排列的旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)分別夾持對(duì)應(yīng)隨行夾具中的4個(gè)工件。用1個(gè)長(zhǎng)蝸桿帶動(dòng)這4個(gè)機(jī)構(gòu)中的渦輪，使得結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動(dòng)精確。

2 控制方案

2.1 硬件配置

西門子SINAMICS V80小型伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)潔、接口簡(jiǎn)化、成本低，特別適用于定位控制。在該系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)精度的要求也不是特別高，實(shí)現(xiàn)定位控制即可，同時(shí)也為了與西門子PLC配套使用，故選擇該款伺服系統(tǒng)。

在待料導(dǎo)軌上，使用4個(gè)電容式接近開關(guān)判斷待料位是否有待測(cè)工件。該系統(tǒng)共有11組氣缸，除4組滑槽氣缸外，為了使結(jié)構(gòu)緊湊及便于控制，所有氣缸都帶有磁性開關(guān)。使用真空吸盤進(jìn)行上料。氣動(dòng)系統(tǒng)主要使用排氣節(jié)流調(diào)速，以避免產(chǎn)生爬行現(xiàn)象系統(tǒng)須控制的氣動(dòng)執(zhí)行元件較多，且有伺服系統(tǒng)以及要與上位機(jī)通訊，共需30個(gè)數(shù)字量輸入 (DI)點(diǎn)、23個(gè)數(shù)字量輸出 (DO)點(diǎn)及1個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)。西門子S7-200 CPU224XP AC/DC/DC小型可編程控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)［3］，提供了2個(gè)RS-485接口，14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)［4］，更重要的是，它提供了 2個(gè)高達(dá)100 kHz的高速脈沖輸出口 (與數(shù)字量輸出點(diǎn)共用端口)，可方便地對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。另外，增加了1個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223，可提供16個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)?？刂茊卧丝诜峙浼敖泳€如圖6所示。

圖6 控制單元端口分配及接線

控制系統(tǒng)硬件組成如圖7所示。其控制原理為:控制單元接受上位機(jī) (工控機(jī))自動(dòng)、手動(dòng)等控制信號(hào)，根據(jù)由傳感器獲得的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)以及執(zhí)行元件和數(shù)據(jù)采集分析模塊的狀態(tài)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)待測(cè)工件進(jìn)行檢測(cè);數(shù)據(jù)采集分析模塊采集檢測(cè)過程中待測(cè)工件產(chǎn)生的時(shí)序脈沖信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析;數(shù)據(jù)采集分析模塊將分析結(jié)果返回控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件對(duì)工件進(jìn)行分選;在系統(tǒng)執(zhí)行過程中，信號(hào)燈提示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，將進(jìn)行報(bào)警。

圖7 控制系統(tǒng)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC控制程序主要包含手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇、上料子程序、進(jìn)料子程序、檢測(cè)子程序、分選子程序、狀態(tài)監(jiān)視子程序，完成上料、進(jìn)料、檢測(cè)、分選、報(bào)警、上位機(jī)通訊等功能，它們之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 PLC控制程序流程圖

表1 電機(jī)控制方式比較

除了協(xié)調(diào)各動(dòng)作外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警也非常重要。該系統(tǒng)包含了伺服驅(qū)動(dòng)報(bào)警、按鍵異常報(bào)警、長(zhǎng)時(shí)間空閑報(bào)警、長(zhǎng)時(shí)間缺料報(bào)警、通訊異常報(bào)警等，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。

組態(tài)王是一款驅(qū)動(dòng)完善、采用圖形化編程語言的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)軟件，具有通信便利、適應(yīng)性強(qiáng)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠［5］。該組態(tài)監(jiān)控軟件基于組態(tài)王開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存、操作及報(bào)警記錄等功能。其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能主要完成狀態(tài)監(jiān)視、手動(dòng)/自動(dòng)模式切換、手動(dòng)操作等;數(shù)據(jù)保存功能將檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式保存，并提供查詢功能;操作及報(bào)警記錄功能將系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)變化、報(bào)警情況以及在組態(tài)軟件上的所有操作記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 組態(tài)軟件監(jiān)控界面

3 總結(jié)

該設(shè)備具有獨(dú)特的隨行夾具和旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)，借助氣動(dòng)分度盤實(shí)現(xiàn)3個(gè)工位同時(shí)工作及工位轉(zhuǎn)換，使用振動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上料?？刂葡到y(tǒng)以S7-200PLC為中心控制單元，接受按鈕及上位機(jī)監(jiān)控軟件的動(dòng)作指令，協(xié)調(diào)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)工作。該設(shè)備樣機(jī)在實(shí)踐中運(yùn)行狀況良好、工作穩(wěn)定，效率是人工檢測(cè)的5倍。

【1】商順德，黃昆.鉆、銑削主軸刀具夾緊方式及自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2005(12):80-83.

【2】徐鴻本.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

【3】鄧少屏.西門子V80伺服系統(tǒng)在焊裝夾具上的應(yīng)用［J］.控制與檢測(cè)，2010(4):72-74.

【4】西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-200PLC［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

【5】嚴(yán)盈富.監(jiān)控組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2006.