保持架自動(dòng)壓銷機(jī)的研制

李珊，張世亮

（1.嶺南師范學(xué)院，廣東湛江524000；2.廣東海洋大學(xué)，廣東湛江524000）

保持架自動(dòng)壓銷機(jī)的研制

李珊1，張世亮2

（1.嶺南師范學(xué)院，廣東湛江524000；2.廣東海洋大學(xué)，廣東湛江524000）

介紹的自動(dòng)壓銷機(jī)，采用氣動(dòng)壓裝，利用PLC（可編程控制器）進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)械手及伺服控制技術(shù)，并設(shè)計(jì)了實(shí)用的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了從零件上料、壓裝、檢測(cè)到合格品與不良品分流、卸料全流程的自動(dòng)化。

自動(dòng)壓裝；自動(dòng)上料；自動(dòng)卸料；可編程控制器；伺服驅(qū)動(dòng)

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈。對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化改造，可以大幅提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，是企業(yè)提高自身競(jìng)爭(zhēng)能力的重要途徑。保持架自動(dòng)壓銷機(jī)是某知名汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)重大技術(shù)改造項(xiàng)目，其目的是研制一臺(tái)全自動(dòng)壓裝設(shè)備，取代現(xiàn)有通用手動(dòng)壓銷機(jī)，實(shí)現(xiàn)從上料、壓裝、檢測(cè)識(shí)別、合格品卸料及不良品廢棄全流程的自動(dòng)化，使兩定位銷高成功率地安裝到鋁合金保持架中，達(dá)到減人增效的目的，本文重點(diǎn)介紹保持架自動(dòng)壓銷機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)械部分總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要由自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、自動(dòng)壓裝與檢測(cè)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)缷料機(jī)構(gòu)組成。

1.1 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

定位銷屬于小型空心棒材，形狀規(guī)則簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，不易發(fā)生磕碰損傷，適合采用料斗式上料裝置，只需工人將工件成批地任意地倒入料斗即可，本課題選擇的是電磁振動(dòng)盤，由電磁振動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)定位銷的自動(dòng)排列、定向與輸送[1]；保持架因?yàn)樾螤畈灰?guī)則，尺寸較大，難以自動(dòng)定向且邊角銳邊多，易產(chǎn)生零件之間的磕碰損傷，適合采用料倉(cāng)式上料裝置，需要操作者定時(shí)將工件按照指定的方向與位置，依次擺放在料倉(cāng)中。

1.2 自動(dòng)壓裝與檢測(cè)機(jī)構(gòu)

保持架入料、定位與夾緊機(jī)構(gòu)示意如圖1所示。推送氣缸推動(dòng)保持架沿導(dǎo)向塊前行，接觸到擋塊后停止，底板下面的定位氣缸推動(dòng)夾具兩定位銷插入保持架的定位孔進(jìn)行定位，最后夾緊氣缸帶動(dòng)壓頭壓緊保持架半圓弧面。

圖1 保持架入料、定位與夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

定位銷在壓裝過(guò)程的隔離與入料機(jī)構(gòu)如圖2所示。銷子沿輸料軟管進(jìn)入導(dǎo)向板上的送銷導(dǎo)向孔，順孔而下，進(jìn)入送銷定位板。銷子進(jìn)入定位板后，先由推銷氣缸帶動(dòng)推塊1將銷子推入定位孔，此時(shí)，放銷氣缸帶動(dòng)推塊2封閉了定位孔下端，直到接收到放銷信號(hào)，放銷氣缸抽開(kāi)推塊2，放出定位銷，方可進(jìn)行壓銷作業(yè)。

圖2 定位銷入料機(jī)構(gòu)示意圖

本課題壓裝動(dòng)作由氣液增壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣液增壓缸系將油壓缸與增壓器結(jié)合在一起，使用壓縮空氣作為動(dòng)力源，利用增壓器擠壓密封的液壓腔，達(dá)到將氣壓壓力提高到數(shù)十倍的效果[2]。同時(shí)在壓裝沖頭上設(shè)有壓力傳感器，進(jìn)行壓入力的檢測(cè)。

1.3 自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)

壓裝完畢后，定位氣缸與夾緊氣缸退回。出料氣缸將工件從側(cè)面推出，進(jìn)入出料料槽，料槽中間部位設(shè)有排除氣缸，若壓力檢測(cè)不合格，則排除氣缸將工件排除掉。

若壓力檢測(cè)合格，排除氣缸不工作，工件將在出料料槽中繼續(xù)前進(jìn)。在料槽的末端設(shè)有工件到位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，工件到位，單軸機(jī)械手出動(dòng)將合格的工件取出，依次放入碼料托盤中。機(jī)械手能夠沿導(dǎo)軌移動(dòng)，碼料托盤置于移動(dòng)導(dǎo)軌上，可以在與機(jī)械手導(dǎo)軌垂直的方向上移動(dòng)，這兩種移動(dòng)均是由伺服電機(jī)帶動(dòng)，均采用同步齒輪帶傳動(dòng)。它們組合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)工件在料盤上的依次精確定位。機(jī)械手的上下移動(dòng)及夾持動(dòng)作均是由氣缸實(shí)現(xiàn)。

壓銷機(jī)的機(jī)械部分如圖3所示。

圖3 壓銷機(jī)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壓銷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓銷機(jī)硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

壓銷機(jī)大部分工作是由氣缸（含增壓器）完成的，自動(dòng)卸料單元?jiǎng)t有兩個(gè)伺服電機(jī)參與控制，一個(gè)控制機(jī)械手在橫梁上的移動(dòng)，另一個(gè)控制托盤在垂直橫梁方向的移動(dòng)。

PLC利用其中的輸入單元釆集來(lái)自手動(dòng)按鈕和開(kāi)關(guān)量的信號(hào)，然后利用輸出單元，完成對(duì)氣動(dòng)控制閥和伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，并對(duì)對(duì)蜂鳴器、指示燈等輸出設(shè)備進(jìn)行控制[3]。

2.1 PLC I/O分配表

根據(jù)控制要求，自動(dòng)壓銷機(jī)的I/O分配表見(jiàn)表1所示。

表1 I/O分配表

2.2 控制元件的選型

（1）PLC系統(tǒng)的選型：由表1之I/O地址分配表可知，全自動(dòng)壓銷機(jī)控制系統(tǒng)共輸入33點(diǎn)、輸出23點(diǎn)。故選用三菱的FX1N-40MT-001型號(hào)基本單元一個(gè)，并搭配數(shù)字量輸入模塊FX2N-16EX和輸出模塊FX2N-8ERY進(jìn)行輸入輸出擴(kuò)展。

（2）觸模屏的選型：選擇INVT公司生產(chǎn)的VT056-H0CT-N型觸摸屏，32MB的存儲(chǔ)器，處理速度為200 MHz，可采用RS232/422/485三種方式與外界進(jìn)行通訊。

（3）伺服系統(tǒng)選型：機(jī)械手和托盤的伺服電機(jī)均選擇INVT公司生產(chǎn)的SV-ML06-OR4G-2-1AO伺服電機(jī)，其功率為400 W，額定扭矩為1.27 NM，額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm，并選用INVT公司配套的伺服驅(qū)動(dòng)器，具體型號(hào)為SV-DB100-0R4-2-1R.

（4）壓力傳感器選型：在自動(dòng)壓裝時(shí)，須實(shí)時(shí)檢測(cè)兩定位銷壓入力，檢測(cè)選用新西蘭PT公司的環(huán)形壓力傳感器LPX1 000 kg，該壓力傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

壓銷機(jī)采用梯形圖結(jié)合SFC（步進(jìn)梯形圖）的方式進(jìn)行編程，梯形圖用于系統(tǒng)初始化、手動(dòng)運(yùn)行、故障維護(hù)、停運(yùn)等功能的編程，而SFC用于自動(dòng)流程的編程?？刂葡到y(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 手動(dòng)運(yùn)行方式的程序設(shè)計(jì)

本設(shè)備的所有機(jī)械動(dòng)作可以分解為15個(gè)單體動(dòng)作，分別為：推料、推入料、定位、壓緊、推銷、放銷、增壓缸升降、推出料、排除不良品、夾持零件、放料（保持架上料槽內(nèi)）、托盤回零、托盤移動(dòng)、機(jī)械手回零、機(jī)械手移動(dòng)。這15個(gè)動(dòng)作中，前11個(gè)動(dòng)作均是由相應(yīng)的輔助繼電器啟動(dòng)電磁閥，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。托盤回零、托盤移動(dòng)、機(jī)械手回零、機(jī)械手移動(dòng)則是由相應(yīng)的輔助繼電器啟動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)以推料動(dòng)作為例，其梯形圖程序如圖6所示。

圖6 推料手動(dòng)動(dòng)作梯形圖

3.3 自動(dòng)運(yùn)行流程的主體流程

自動(dòng)啟動(dòng)流程是一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的順序控制流程，如圖7所示。壓銷機(jī)在觸摸屏上設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，接通繼電器M117，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行循環(huán)。

圖7 自動(dòng)運(yùn)行主體SFC

自動(dòng)運(yùn)行的主體可以看作一個(gè)并行分支結(jié)構(gòu)，在自動(dòng)運(yùn)行循環(huán)的初始狀態(tài)S0，初始狀態(tài)下，若入料到位檢測(cè)輸入X25帶電，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T28，計(jì)時(shí)到時(shí)后，輸出繼電器Y10帶電，推料氣缸將保持架推入上料料槽末端。此狀態(tài)功能完成，在不同的轉(zhuǎn)移條件下，S0分別轉(zhuǎn)入S20、S30、S40狀態(tài)，形成3路分支。

這3個(gè)分支相對(duì)獨(dú)立，但是互有關(guān)聯(lián)。特別是托盤在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手在導(dǎo)軌上的移動(dòng)位置組合形成工件在托盤上的正確定位，故兩個(gè)流程互有穿插。在下文的介紹中將S20和S30開(kāi)啟的分支并稱為自動(dòng)取件碼料流程。

3.4 自動(dòng)入料壓銷檢測(cè)出料的分支流程

壓銷機(jī)自動(dòng)入料壓銷檢測(cè)出料過(guò)程是典型的順序流程，其SFC如圖8所示。

圖8 自動(dòng)入料壓銷檢測(cè)出料流程SFC

3.5自動(dòng)取件碼料的分支流程

托盤僅可沿Y方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手移動(dòng)橫梁為X向。托盤在X方向一排擺放12個(gè)保持架，在Y方向則可排成8排，一個(gè)托盤可以擺96個(gè)保持架。機(jī)械手的取件碼料流程與托盤的步進(jìn)移動(dòng)流程穿插進(jìn)行，形成了壓銷機(jī)總的取件碼料流程，其SFC如圖9所示。

圖9 自動(dòng)取件碼料流程SFC

從保持架到達(dá)出料料槽末端，到其在托盤上正確位置碼好，這個(gè)過(guò)程是機(jī)械手取件碼料流程，其具體步驟如下：

（1）開(kāi)始S20機(jī)械手取件碼料流程，S20每運(yùn)行1次，計(jì)數(shù)寄存器C0計(jì)數(shù)1次，并存入數(shù)據(jù)寄存器D0.機(jī)械手在取件位（原點(diǎn)），機(jī)械手下降到位，發(fā)出到位信號(hào)。另，當(dāng)D0=12，意味著一排將放滿，啟動(dòng)M0輔助繼電器，托盤準(zhǔn)備移動(dòng)。

（2）延時(shí)停頓，氣爪夾持工件

（3）延時(shí)停頓，機(jī)械手上升，延時(shí)停頓后移動(dòng)到正確的位置，此位置由數(shù)據(jù)寄存器D8142決定，而D8142則是根據(jù)D0的數(shù)據(jù)賦予不同的脈沖值。

（4）延時(shí)停頓，機(jī)械手下降到位，發(fā)出到位信號(hào)。

（5）接到到位信號(hào)，氣爪松開(kāi)，放下工件。

（6）機(jī)械手上升，到位后延時(shí)停頓，再回原點(diǎn)（取件位）。此時(shí)，若M0繼電器帶電，說(shuō)明托盤一排已放滿工件，轉(zhuǎn)移至S30，開(kāi)啟托盤移位流程。若M0不帶電，說(shuō)明托盤此排未放滿，轉(zhuǎn)移至S20開(kāi)頭，循環(huán)進(jìn)行機(jī)械手取件碼料作業(yè)。

S30開(kāi)始的步進(jìn)程序是托盤自動(dòng)移位流程，其具體步驟如下：

（1）開(kāi)始S30托盤自動(dòng)移位流程，S30每運(yùn)行1次，計(jì)數(shù)寄存器C1計(jì)數(shù)1次，并存入數(shù)據(jù)寄存器D1.

（2）若D1≤6，托盤按照數(shù)據(jù)寄存器D104進(jìn)行移位，D104的值由D1的數(shù)據(jù)賦予不同的脈沖值，到位后，C0歸零，M0復(fù)位，回到S20；若D1=7，托盤進(jìn)入回原點(diǎn)程序，C0歸零，M0復(fù)位，到位后發(fā)出信號(hào)，回到S20；若D1=8，則托盤放滿工件，發(fā)出更換托盤警報(bào)，返回S0.

3.6 不良品排除流程

在壓銷的過(guò)程中，同時(shí)檢測(cè)壓入力，若壓力檢測(cè)異常，則壓力異常輸入信號(hào)（X35或X40）帶電，啟動(dòng)輔助繼電器M21，不良品排除流程（由S1開(kāi)始的另一個(gè)步進(jìn)程序）開(kāi)始起作用。不良品排除流程SFC如圖10所示。

圖10 不良品排除流程SFC

不良品的排除氣缸布置點(diǎn)距離推出料位置有一段距離（間隔5個(gè)工件），因此若某個(gè)工件壓裝時(shí)壓力檢測(cè)不良（X35或X40帶電），排除氣缸不能排除當(dāng)前的工件，必須排除的間隔5個(gè)工件之后的那個(gè)工件。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，程序中利用了多個(gè)數(shù)據(jù)寄存器（D3D4D5D6D7D8D9）。其中D3與D4是每出料1次其數(shù)值就刷新1次，D5-D9則是出現(xiàn)了不良品才刷新1次。D3的作用是班產(chǎn)量計(jì)數(shù)，程序利用D4將零件每5件分成1組（D4=0，1，2，3，4，5）。第1件（D4=0）若不良，由S60排除；第2件（D4=1）若不良，由S61排除；第3件（（D4=2）若不良，由S62排除，第4件（D4=3）若不良，由S63排除，第5件（D4= 4）若不良，由S64排除。如此，將推出料至排除點(diǎn)之間的所有工件均進(jìn)行判斷及處理。

4 觸摸屏人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

觸摸屏上電后顯示的即是主畫面，主畫面提供了進(jìn)入其它分畫面的入口，如圖11（a）所示。點(diǎn)擊主畫面上相關(guān)的按鈕，可進(jìn)入需要的分畫面。手動(dòng)操作畫面的設(shè)計(jì)是用于對(duì)15個(gè)單體的機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)地控制，如圖11（b）所示。自動(dòng)運(yùn)行畫面的設(shè)計(jì)則相對(duì)簡(jiǎn)單。如圖11（c）所示。

圖11 觸摸屏主要畫面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了保持架自動(dòng)壓銷機(jī)，其壓裝精度高，滿足了壓裝質(zhì)量要求。設(shè)備操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)品節(jié)拍時(shí)間控制在10 s之內(nèi)。裝配線投入到生產(chǎn)后，企業(yè)反映良好。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

（1）結(jié)合利用電磁振動(dòng)盤、料槽與氣缸、單軸機(jī)械手與單方向移動(dòng)托盤，實(shí)現(xiàn)了零件自動(dòng)上料、自動(dòng)取件碼料，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)精巧、功能實(shí)用。

（2）結(jié)合了PLC、觸摸屏、伺服控制技術(shù)等較先進(jìn)的技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)出了具有顯示、操作，報(bào)警，調(diào)節(jié)，保護(hù)聯(lián)鎖，檢測(cè)數(shù)據(jù)等功能的全自動(dòng)壓銷機(jī)。該壓銷機(jī)的可移植性強(qiáng)，可以根據(jù)要求應(yīng)用于課題來(lái)源企業(yè)的多種類似產(chǎn)品，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]胡兵．電磁振動(dòng)盤的應(yīng)用[J]．機(jī)電信息，2016（6）：36-37.

[2]韓艷.氣液增壓缸的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2011（11）：73-74.

[3]李林琨．基于PLC的汽車聯(lián)軸器壓裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2014.

Development of the Automatic Press-fit Machine for Bracket

LI Shan1，ZHANG Shi-liang2

（1.Lingnan Normal University，Zhanjiang Guangdong 524000，China；2.Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524000，China）

The automatic pressure-fit machine，make use of pneumatic press mounting and PLC（programmable logic controller）control technology，combined with the mechanical hand and servo control technology，and design a practical man-machine interface，achieves the automation of the whole process（from loading the parts，pressingfit the parts，inspecting of the parts，to unloading the parts process）

automatic press-fit；automatic loading equipment；automatic blanking equipment；programmable logic controller；servo drive

TH12

：A

：1672-545X（2017）01-0086-05

2016-10-14

李珊（1975-），女，湖北麻城人，工程碩士，機(jī)械高級(jí)工程師，主要研究方向是數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。