基于PLC控制的多功能雙向自動壓裝機設計

陳慧蓉，蔣 玲，張 超

(1.蕪湖職業(yè)技術學院，安徽 蕪湖 241006；2.杰鋒汽車動力系統(tǒng)股份有限公司，安徽 蕪湖 201107)

市場上的壓裝機功能單一，壓裝汽車催化器的載體和壓裝汽車消聲器的內(nèi)組件需要在兩套不同的壓裝機，而且驅(qū)動系統(tǒng)主要是油壓系統(tǒng)，對載體或內(nèi)組件在壓入筒體中的位置精度控制不高。如果載體在筒體中位置不夠準確，在旋壓過程中易造成載體的損壞；如果內(nèi)組件在筒體中的位置不準確，就會造成內(nèi)組件進出氣管口漏出消聲器筒體的長度無法控制一致，從而影響下一道工序焊接質(zhì)量，造成不必要的報廢，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

多功能雙向自動壓裝機是在此背景下開發(fā)設計的，能夠滿足不同產(chǎn)品可以在同一臺設備上壓裝的要求，解決了汽車催化器的載體或汽車消聲器的內(nèi)組件在壓入筒體中位置控制精度不高的問題，增加了設備在壓裝過程中的實時監(jiān)控功能，遇到不合格品能夠自動識別報警。該設計已獲得實用新型專利(專利號201521082571.0)[1]。

1 設計方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及技術方案

多功能雙向自動壓裝機用于壓裝汽車催化器的載體和汽車消聲器的內(nèi)組件，這種多功能具有箱體；設置在箱體中部附近的筒體支撐架，筒體夾持在筒體支撐架上；筒體支撐架上下兩側(cè)分別設置上壓入模具和下壓入模具，上壓入模具和下壓入模具能夠在齒輪和齒條機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)的帶動下沿著導軌上下移動；上壓入模具和下壓入模具的其中一個是載體壓入模具，另一個是內(nèi)組件壓入模具。箱體上還設有觸摸屏。筒體支撐架上設有視覺傳感器。雙向自動壓裝機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

圖1 多功能雙向自動壓裝機的結(jié)構(gòu)示意圖注：1.箱體，11.導軌，2.筒體支撐架，3.上壓入模具，4.下壓入模具，5.觸摸屏，6.視覺傳感器。

包括設備的機架機構(gòu)、伺服壓入機構(gòu)、夾持機構(gòu)、載體壓入模具、內(nèi)組件壓入模具、電控系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等組成。機架機構(gòu)是該裝置的最基本機構(gòu)，支撐伺服壓入機構(gòu)、夾持機構(gòu)、模具機構(gòu)、電控箱等；伺服壓入機構(gòu)是該裝置的動力驅(qū)動機構(gòu)，將載體或內(nèi)組件精準的壓入筒體中所要求的位置；夾持機構(gòu)是實現(xiàn)對筒體定位夾持的功能；模具機構(gòu)是針對不同產(chǎn)品分為載體壓入模具和內(nèi)組件壓入模具；電控系統(tǒng)是該裝備的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對這個裝備動作進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，按規(guī)定要求進行動作；氣動系統(tǒng)是給夾持機構(gòu)提供動力的。

1.2 氣動控制

該多功能雙向自動壓裝機的夾緊機構(gòu)采用氣動控制，避免使用液壓驅(qū)動而導致的設備泄漏油的問題，其執(zhí)行機構(gòu)選用雙作用氣缸，因此控制它們工作的電磁閥需要有二個工作口和二個排氣口以及一個供氣口，故使用的電磁閥均為二位五通電磁閥。氣動控制回路的工作原理如圖2所示。1Y1為控制夾緊氣缸運動的二位五通單電控電磁閥，由PLC開關量輸出端口控制電磁閥線圈的通斷電，從而控制夾緊機構(gòu)與筒體之間的夾緊與松開，實現(xiàn)夾緊機構(gòu)對筒體定位夾持的功能，1B1、1B2為安裝在氣缸極限工作位置上的磁性傳感器。通常這個氣缸的初始位置設定在縮回狀態(tài)，夾緊機構(gòu)處于松開狀態(tài)。[2—4]

圖2 氣動控制回路的工作原理圖

1.3 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)采用日本三菱品牌FX3U-48MTPLC作為主要控制元件，觸摸屏為北京昆侖通泰TPC7062TI品牌，日本三菱品牌伺服驅(qū)動器MR-JE-10A驅(qū)動器和HF-KN13J-S100 AC伺服電動機，采用脈沖串+方向信號脈沖輸出形式，PLC通過外部硬件接線和軟件程序設計可實現(xiàn)對壓裝機的I/O操作，伺服驅(qū)動器的指令脈沖串輸入脈沖數(shù)PP(CN1-10)和指令脈沖方向輸入NP(CN1-35)與PLC輸出端相連，伺服開啟SON(CN1-15)、強制停止EM2(CN1-42)正轉(zhuǎn)行程末端LSP(CN1-43)和反轉(zhuǎn)行程末端LSN(CN1-44)與D0COM(CN1-46)相連，外加伺服驅(qū)動器的控制回路電源接線：20(DICOM)與12(OPC)短接后，接到24VDC正極，接到0V，可實現(xiàn)對伺服電機的位置控制。觸摸屏與PLC的RS232端口連接，實現(xiàn)PLC與觸摸屏之間通信。[2，5]

人機界面的設計：按照壓裝機的手動操作、回原點操作、自動運行等工作模式、PLCI/O畫面、參數(shù)設定、更換模具、壓力與位移關系的曲線圖、異常畫面顯示等環(huán)節(jié)均在控制屏上可視化，并最終實現(xiàn)壓裝機工作狀態(tài)實時動態(tài)顯示，增強人機交互性。圖3設備主選擇界面。

圖3 設備主選擇界面

程序設計方面：根據(jù)多功能雙向自動壓裝機的邏輯動作順序，采用三菱SFC編程語言及程序步自帶的互鎖跳轉(zhuǎn)功能，實現(xiàn)壓裝動作，控制程序結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試、故障診斷和維修都很方便。[3][5]

運用視覺防錯系統(tǒng)自動識別筒體所放置、在載體或內(nèi)組件壓入的過程中通過壓力傳感器實現(xiàn)壓力的實時監(jiān)控，在觸摸屏上顯示出壓力與位移關系的曲線圖、通過視覺傳感器來識別產(chǎn)品的進、出氣方向等一系列防錯措施，有效提高設備操作的可靠性、智能性，實現(xiàn)合格品和不合格品的有效分離。[6]

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理

多功能雙向自動壓裝機的特征在于：按下啟動按鈕后，首先視覺系統(tǒng)對筒體放置位置進行檢查，若筒體放置位置正確，夾持機構(gòu)氣缸收縮，主齒條后退帶動齒輪順時針轉(zhuǎn)動，齒輪又帶動被動齒條移動，從而使夾持機構(gòu)抱緊筒體，筒體抱緊傳感器燈亮后，上壓入模在伺服電機的驅(qū)動下將上部的載體或內(nèi)組件壓入筒體中規(guī)定位置后，停止不動，下壓入模在伺服電機的驅(qū)動下將下部的載體或內(nèi)組件壓入筒體中規(guī)定位置，然后上模上升，下模下降到預定位置停止，夾持機構(gòu)松開，取出壓裝好的筒體組件，并進入下一循環(huán)動作。如果只有一個載體或內(nèi)組件，則通過程序選擇即可實現(xiàn)上模移動，下模不動的方式進行壓入。壓入過程中，在規(guī)定區(qū)間內(nèi)若壓裝力低于或高于規(guī)定值，設備都會報警而停止壓入，并記錄不合格品數(shù)。工件只有在按下不合格產(chǎn)品解鎖按鈕設備才能回歸原位，松開夾持機構(gòu)，取下工件，實現(xiàn)了不合格品與合格品的分開。通過該設備將原先多次壓裝作業(yè)，變成了現(xiàn)在一次壓裝完成。其結(jié)構(gòu)圖、夾緊機構(gòu)和磨具機構(gòu)分別如圖4、圖5、圖6所示。達到催化器的載體壓入和消聲器的內(nèi)組件壓入能在同一臺設備上完成，且設備能顯示監(jiān)控壓裝過程封裝力，在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)若封裝力低于產(chǎn)品封裝要求的設定值，設備會自動報警并停止壓入，并記錄產(chǎn)品不合格數(shù)；同理，在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)若封裝力高于產(chǎn)品封裝要求的設定值，設備也會自動報警并停止壓入，并記錄產(chǎn)品不合格數(shù)。另外，設備還有視覺防錯系統(tǒng)，自動識別筒體所放置的位置是否正確，筒體位置封裝不準確設備不能啟動，提升了設備的智能性。通過伺服驅(qū)動提升了載體或內(nèi)組件壓入筒體位置的精準性。

通過PLC控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)對載體或內(nèi)組件壓入筒體進行了精確的定位，對壓入載體來說，消除載體在下一道旋壓工序損壞的風險；對于內(nèi)組件而言，消除了內(nèi)組件進出氣管口伸出筒體長度不一的問題，使得內(nèi)組件伸出筒體長度一致，確保了下一道焊接工序不會產(chǎn)生焊接缺陷，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)。

圖4 壓裝機結(jié)構(gòu)圖

圖5 夾持機構(gòu)

圖6 模具機構(gòu)

2.2 性能分析

該設備既能一次壓入一個汽車催化器的載體，也能一次壓入兩個載體；通過更換模具還可以對汽車消聲器的內(nèi)組件進行壓裝，實現(xiàn)了不同產(chǎn)品可采用同一臺壓裝設備，降低了企業(yè)的制造成本，提升了設備的利用率。由于采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)了載體或內(nèi)組件筒體中的精確定位。在載體或內(nèi)組件壓入的過程中通過壓力傳感器實現(xiàn)壓力的實時監(jiān)控，在觸摸屏上顯示出壓力與位移關系的曲線圖，全過程控制可以在作業(yè)進行中的任意階段自動判定產(chǎn)品是否合格，在規(guī)定的區(qū)間上如果壓力超出或低于設定值，設備會自動報警，100%實時去除不良品，從而實現(xiàn)在線質(zhì)量管理。通過視覺傳感器來識別產(chǎn)品的進、出氣方向，提升了設備自動防錯能力，消除了人工裝配過程中易出錯的現(xiàn)象，極大的提升了產(chǎn)品的性能[1]。壓裝力、壓入深度、壓裝速度、保壓時間等全部可以在觸摸屏上進行數(shù)值輸入，界面友好，操作簡單；通過外部端口連接計算機，可以將壓裝數(shù)據(jù)存貯在計算機中，保證產(chǎn)品加工數(shù)據(jù)的可追溯性，便于生產(chǎn)質(zhì)量控制管理；由于機器本身就具有精確的壓力和位移控制功能，所以不需要另外在工裝上加硬限位，加工不同規(guī)格產(chǎn)品時只需調(diào)用不同壓裝程序，因此可以輕松地實現(xiàn)一機多用和柔性組線。

結(jié)語

多功能雙向自動壓裝機根據(jù)用戶的要求進行研發(fā)設計的，采用機、電、氣一體化設計、選用三菱FX3U系列PLC，TPC7062TI觸摸屏、雙作用氣缸和單電控二位五通電磁閥三菱伺服驅(qū)動器和伺服電動機；設備具有手動、自動、異常情況報警和在線顯示等功能。該設備將原先的催化器載體和消音器內(nèi)組件所需兩臺設備經(jīng)過整合設計變成一臺設備，節(jié)約了生產(chǎn)成本和設備投入，設置一系列防錯措施，實現(xiàn)了合格品和不合格品的有效分離，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量在線管理，該壓裝機用于汽車消聲器和催化器的壓裝,也可用于發(fā)動機組件壓裝(缸蓋，缸套，油封等)轉(zhuǎn)向器組件壓裝(齒輪，銷軸等)傳動軸組件壓裝，齒輪箱組件壓裝，剎車盤組件壓裝等[1]。

該多功能雙向自動壓裝機自制成本8萬元，較某設備制造公司2015年報價30萬元，節(jié)約新設備采購成本22萬。