基于軟PLC控制的擺動式夾緊反力臂裝置設(shè)計

于洪增，耿 華

(1.大連豪森設(shè)備制造有限公司 機械設(shè)計部，遼寧 大連 116036；2.一汽-大眾汽車有限公司 規(guī)劃部，長春 130011)

基于軟PLC控制的擺動式夾緊反力臂裝置設(shè)計

于洪增1，耿 華2

(1.大連豪森設(shè)備制造有限公司 機械設(shè)計部，遼寧 大連 116036；2.一汽-大眾汽車有限公司 規(guī)劃部，長春 130011)

針對傳統(tǒng)擰緊機構(gòu)在擰緊過程中自動化程度低，擰緊不可靠等問題，設(shè)計了一種擺動式氣動夾緊反力臂裝置。詳細描述了該裝置的機械結(jié)構(gòu)、工作原理及控制系統(tǒng)的開發(fā)與實施。該裝置的控制方式應(yīng)用了一種基于西門子PC677工控機的軟PLC模塊，對在該裝置中進行擰緊的工件的狀態(tài)進行實時檢測和反饋,同時對工件的動作進行校正和控制。整個系統(tǒng)可以在軟PLC的控制下，快速、準確地完成工件的夾緊、螺栓擰緊等操作，較好地替代了傳統(tǒng)PLC。目前該裝置已用于裝配線上試運行，運行狀態(tài)良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

擺動式; 氣動夾緊; 反力臂；軟PLC

0 引言

在汽車行業(yè)，螺紋連接是最重要的連接方式之一，隨著我國汽車工業(yè)配件需求量劇增，因而對汽車工業(yè)配件加工過程的質(zhì)量及效率的要求也不斷提高，在汽車配件加工的過程中，需要各種輔助裝置，擰緊機構(gòu)就是一種常用的，而且非常重要的輔助機構(gòu)。目前國內(nèi)對擰緊機構(gòu)的研究還主要依賴于國外，同國外相比還存在很大差距[1-2]。

國內(nèi)專家和學(xué)者對擰緊機也進行了深入的研究，根據(jù)不同的工況設(shè)計了多種擰緊機。林曉磊等[3]為解決球閥機械密封螺栓的自動化投退問題，設(shè)計了具有變矩功能的三軸擰緊機。丁蘇赤等[4]針對不同品種不同節(jié)距的履帶以及人工擰緊履帶效率低下和不可靠性的問題，設(shè)計了四軸履帶螺栓擰緊機系統(tǒng)。林巨廣等[5]以機械手為支架，滑塊導(dǎo)軌為運動平臺設(shè)計了一種變矩雙軸螺栓擰緊機。屈創(chuàng)等[6]設(shè)計了一種用于發(fā)動機油底殼螺栓聯(lián)接的四軸擰緊機。然而，之前的擰緊機構(gòu)，都缺乏反力臂機構(gòu)，操作工人的安全性沒有保證，并且會出現(xiàn)僅靠操作人員的力量無法完成擰緊任務(wù)的情況。忽略了精確對中機構(gòu)的設(shè)計，無法實現(xiàn)快速而又準確的定位操作，延緩了生產(chǎn)效率。針對上述存在的問題，本文提出了一種擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)，反力臂能幫助操作者很輕松地提升擰緊工具，并且可以抵消擰緊螺栓時產(chǎn)生的反作用力，以保護操作者。采用氣動夾緊機構(gòu)，不但具有報警設(shè)計，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖功能，防止機械臂下降，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。該機構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，而且提高了可靠性和裝配效率，更有效地保證了裝配質(zhì)量。

1 擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。該機構(gòu)主要由三部分組成：夾緊組件，擰緊組件和輔助組件。

夾緊組件：傳統(tǒng)的夾緊機構(gòu)大多采用偏心夾緊和螺旋夾緊的方式，該方式夾緊效率低，費力，且操作不方便。本文采用氣動夾緊方式，通過夾緊扇形盤間接地執(zhí)行夾緊動作，使用氣動夾緊操作方便、夾緊迅速、更加省力，而且可以縮短輔助時間，減輕工人的勞動強度和提高生產(chǎn)率，此外，采用氣動夾緊機構(gòu)，不但具有報警設(shè)計，在氣壓下降到一定程度，啟動自鎖功能，防止機械臂下降，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，安全性也得到了提高。采用間接夾緊方式，對工件也起到了保護作用。

反力臂擰緊組件：反力臂機構(gòu)設(shè)置在支撐架上，反力臂擰緊機構(gòu)可實現(xiàn)軸向竄動，扇形盤與反力臂擰緊機構(gòu)可一同轉(zhuǎn)動，且扇形盤與反力臂擰緊機構(gòu)之間可在反力臂擰緊機構(gòu)的軸向上相對運動，反力臂擰緊機構(gòu)的末端設(shè)置有推進把手，反力臂擰緊機構(gòu)的前端則設(shè)置有兩個定位軸，反力臂擰緊機構(gòu)工作的按鈕安裝在支撐架上。這種擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)，可以實現(xiàn)反力臂擰緊機構(gòu)的快速找準對正，并利用空氣抱死裝置讓反力臂擰緊機構(gòu)定位，最終實現(xiàn)快速、準確的擰緊操作，且不需要操作者協(xié)助提供反力臂，所產(chǎn)生的反向力通過支撐架傳遞給了機架，因此本裝置不僅可以提高工作效率，而且還能夠降低工人的勞動。它具備了多種優(yōu)點，特別適合于在本領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

輔助組件：機架、托盤與輥道、支撐架、推進把手和定位軸等輔助組件，主要作用就是承載主要組件，傳輸和運送零件。

1.輥道 2.機架 3.托盤 4.支撐架圖1 帶有反力臂擰緊機構(gòu)的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

5.擺動把手 6.擺桿7.扇形盤 8.空氣抱死裝置 9.反力臂擰緊機構(gòu)10.推進把手 11.定位軸 12.工作把手 13.按鈕
圖2 擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)的工作過程

擺動式氣動夾緊反力臂裝置工作過程如下：

(1)將需要進行裝配或安裝的工件放置在托盤上，在輥道的作用下行進至機架的工作位置處；

(2)操作人員把持著擺動把手驅(qū)動擺桿轉(zhuǎn)動，此時擺桿的轉(zhuǎn)動可以帶動反力臂擰緊機構(gòu)轉(zhuǎn)動，在反力臂擰緊機構(gòu)端頭處設(shè)置有兩個定位軸，讓定位軸轉(zhuǎn)動到與工件上開設(shè)的定位孔相配的角度；

(3)空氣抱死裝置工作，將扇形盤夾緊并定位，扇形盤和反力臂擰緊機構(gòu)均無法轉(zhuǎn)動，然后操作人員用另一只手推動推進把手，讓反力臂擰緊機構(gòu)軸向運動，使其工作端與待擰緊的螺栓端頭相接觸；

(4)操作人員通過按鈕控制反力臂擰緊機構(gòu)工作，將螺栓擰緊，完成兩個不同工件的連接。

在上述擰緊過程中，其擰緊操作所產(chǎn)生的反向力通過支撐架傳遞到機架上，不需要操作者協(xié)助提供，解決了操作人員需要承擔(dān)部分反向力的問題。

3 基于PC的軟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC技術(shù)具有可靠性高、擴展性強、適用性廣并且使用簡單便捷等優(yōu)點[7-8]。但其缺點也較明顯，其體系結(jié)構(gòu)不夠開放，網(wǎng)絡(luò)通訊功能不強，對數(shù)據(jù)的處理能力較弱。軟PLC是以PC為硬件平臺，用軟件來實現(xiàn)PLC功能，不僅具備傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點，而且具有開放的體系結(jié)構(gòu)、更強的網(wǎng)絡(luò)通訊能力和更強的數(shù)據(jù)處理能力，能較好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求[9-13]。因此軟PLC技術(shù)已經(jīng)成為目前國際工業(yè)自動化領(lǐng)域逐漸興起的一門新型控制技術(shù)。本裝置采用軟PLC控制技術(shù)。軟PLC的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟PLC的控制結(jié)構(gòu)圖

本擰緊機構(gòu)控制系統(tǒng)的核心部件為西門子PC677工控機內(nèi)部的軟PLC模塊，結(jié)合觸摸屏(即人機界面)、伺服單元、伺服電機及扭矩傳感器共同實現(xiàn)控制功能。

該系統(tǒng)的主程序主要由初始化、高速擰緊、低速擰緊、卸載等組成。具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及操作方便等特點。程序框圖如圖4所示。

該結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)需要根據(jù)兩個方面進行設(shè)計，一方面根據(jù)需要完成螺紋緊固時的動作和工序類型，在進行螺紋擰緊時，首先需要操作工人手動操作轉(zhuǎn)動反力臂把手，然后將擰緊裝置對準螺母進行擰緊。另一方面要考慮整個車間和工廠內(nèi)部控制系統(tǒng)間的兼容性，以便能夠融入整個控制網(wǎng)，方便集中管理。部分控制程序框圖如圖5所示。

通過對基于PC的軟PLC控制方法的研究，結(jié)合該擺動式氣動加緊反力臂機構(gòu)的實際情況，將軟PLC應(yīng)用于發(fā)動機裝配線，螺紋擰緊工位在該裝配線中是一個自動工位，該工位的控制系統(tǒng)集成在一個控制柜中，其控制系統(tǒng)原理如圖6所示?；诠た貦C的開發(fā)環(huán)境，以西門子PC677為控制單元，通過與多個通訊接口相連接，可以分別控制多個外圍設(shè)備，同時能夠控制6個螺紋擰緊工位的動作，通過通訊模塊，每個工位現(xiàn)場有一臺PC677，主要用來顯示監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)和報警，備用的ET200S安全I/O模塊，用于應(yīng)急，該設(shè)備用于接外部設(shè)備、RFID射頻識別裝置等。

圖4 系統(tǒng)主程序框圖

圖5 部分控制程序框圖

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

4 設(shè)備性能測試

設(shè)備在生產(chǎn)線上安裝成功之后，對設(shè)備的多個性能指標進行了測試和檢驗，具體指標如表1所示。

表1 設(shè)備性能指標

測試結(jié)果表明：該反力臂擰緊機構(gòu)，重復(fù)擰緊精度高，節(jié)拍高，擰緊、壓靠過程穩(wěn)定，布局了多個接近開關(guān)，能夠有效保護對操作者的安全。

5 總結(jié)

本文設(shè)計的擺動式氣動夾緊反力臂機構(gòu)，通過對氣動夾緊組件的設(shè)計，實現(xiàn)了擰緊機的自動對中，通過在結(jié)構(gòu)中加入反力臂擰緊組件，提高了擰緊機的安全性和可靠性，縮短了擰緊節(jié)拍。解決了傳統(tǒng)擰緊機擰緊過程缺少反力臂機構(gòu)和自動對中的問題。采用一種基于西門子工控機IP677的軟PLC控制方式，提高了各級控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)信息的傳輸和運算能力，該機構(gòu)已經(jīng)成功通過各項性能指標的測試，并在裝配線上進行試運行，目前為止運行狀態(tài)良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

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(編輯 李秀敏)

The Design of Anti-arm Swing Clamping Device Based on the Soft-PLC Control

YU Hong-zeng1，GENG Hua2

(1.Mechanical Design Department, Dalian Haosen Equipment Manufacture Co., Ltd., Dalian Liaoning 116036, China;2.Planning Department,FAW-Volkswagen Automotive Co., Ltd.,Changchun 130011, China)

During the screwing process, the traditional anti-arm screwing mechanism can′t finish the location and screwing automatically, the paper proposed an anti-arm swing pneumatic clamping device. The structure designing, working principle and control system of the device are described in detail. Moreover a soft PLC controlling method based on Siemens PC677 was applied for this device, which can detect, feedback, rectify and control the work exactly. Ultimately it can finish the process of clamping and screwing quickly and accurately, replace the traditional PLC well. The whole system has been run in assembly line, the system works normally, and the control system running is stable.

swing; pneumatic clamping; anti-arm; soft-PLC

1001-2265(2017)08-0114-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.029

2017-02-13；

2017-03-17

于洪增(1981—)，男，遼寧大連人，大連豪森設(shè)備制造有限公司，碩士，研究方向為變速箱、發(fā)動機自動裝配線設(shè)計，(E-mail) yuhong-zeng@haosen.com.cn.

TH162;TG65

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