錠子錠座自動裝配線電氣控制系統(tǒng)應用淺析

溫 斌，付 強

(經緯智能紡織機械有限公司，山西 晉中 030601)

0 引言

在產業(yè)結構轉型升級、新舊動能充分轉換的內生動力驅動下，紡機行業(yè)智能制造勢在必行。為實現棉紡環(huán)錠細紗錠子制造的裝配自動化、檢測數字化，JWD6811ES系列錠子錠座結合件自動裝配線應運而生。從彈性管錠底結合件到錠座的裝配完成，經PLC程序控制、傳感器信號檢測、氣缸實時動作、振動機構上料、機器人精準送料、伺服電缸壓配等全自動化多流程裝配，實現錠座生產的標準化[1]。作為整條自動裝配線最為核心的電氣控制系統(tǒng)，傳感器如同眼睛收集信號，PLC程序如同神經中樞控制裝配流程，機器人如同四肢抓取運輸零件，并以伺服電缸精準壓配，最終實現自動裝配線的合理運行。本文就該自動裝配線中涉及的電氣控制系統(tǒng)予以解析，以深度了解設備功能結構。

1 傳感器

傳感器作為一種檢測裝置，能感知到被測量物體的信息，并將感知的信息按一定規(guī)律轉換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器技術是現代新技術革命和信息社會的基礎，是自動裝配生產線不可缺少的重要組成部分。

JWD6811ES系列錠子錠座自動裝配生產線中有多種傳感器，應用于不同場景，通過感知檢測料的有無、位置、距離、數量等信息，并將接收到的信息轉換為相應的輸出信號：以高電平“1”或低電平“0”傳輸到PLC輸入端口，按照編制程序執(zhí)行并輸出指令信號，控制設備整體動作。

1.1 反射型光電傳感器PR-G42N

應用場景：1ST，2ST，3ST，6ST，8ST轉盤各工位。

工作原理：發(fā)光元件和受光元件內置于一個傳感器放大器內，接收來自檢測物體的反射光。

PR-G42N傳感器用于檢測各工位零件的有無：顯示數值從0到999，0代表無零件，即受光元件無法通過零件的反射接收到光量，各工位無動作；顯示有數值代表該工位零件存在，進行后續(xù)裝配動作。

1.2 高精度激光位移傳感器LS-7030

應用場景：5-2ST測量錠膽外圓錐面跳動量。

工作原理：激光傳感器是一種從發(fā)射器發(fā)射激光，并通過接收器檢測物體反射的激光或遮光量的變化，從而獲取輸出信號的儀器。激光傳感器采用具有直線性的“激光”作為發(fā)光原件，光斑可見且不會擴散，適合檢測高速運動的小型物體。

工作過程：5-2ST工位皮帶驅動錠膽轉動；LS-7030激光傳感器發(fā)射器發(fā)出高亮度 GaN 綠色 LED 輻射光，通過專用的散射模組和準直儀鏡頭變成均勻平行光，并照射到測量范圍內的錠膽外圓錐面上，其影像通過遠心光學系統(tǒng)顯示在接收器上，利用接收光在外圓錐面的缺失量測出單側外徑的最大、最小值，由內置CPU相減計算出精確的外圓錐跳動量，并顯示在數據面板上，外圓錐跳動量以不大于0.059 mm為合格。

1.3 視覺傳感器IV-500MA

應用場景：3-4ST加裝軸承、6-3ST加裝定位套管和吸振圈簧工位。

工作原理：視覺傳感器具有從整幅圖像捕獲光線的數以千計像素的能力，圖像的清晰和細膩程度常用分辨率來衡量，以像素量表示；在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中的基準圖像進行比較，以做出分析。

工作過程：IV-500MA視覺傳感器在3-4ST工位進行拍照以檢測有無軸承，選取軸承上蓋板邊緣輪廓、軸承下蓋板邊緣輪廓及軸承整體輪廓共3處采集有效像素，與原始拍攝的圖像標準對比后進行判定，相似度數值大于設定數值即判定該軸承完整；IV-500MA視覺傳感器在6-3ST工位進行拍照檢測有無定位套管及吸振圈簧，選取吸振圈簧下邊緣輪廓、定位套管上邊緣輪廓、吸振圈簧右下邊緣定位套管右上邊緣及彈性管右側構成的輪廓共3處采集有效像素，與原始拍攝的圖像標準對比后進行判定，相似度數值大于初始設定數值即判定該零件加裝定位套管與吸振圈簧完整。

1.4 超小光斑數字激光傳感器LV-NH37

應用場景：7-2ST工位檢測錠座的旋轉靈活度。

工作原理：LV-NH37發(fā)射器發(fā)出激光照射于錠腳法蘭側面，接收器接收反射光量并外接FS-11N放大器，顯示光量數值。由于皮帶驅動錠腳旋轉過程中，激光會照射到圓弧面、平面、螺絲孔、錠鉤槽等不同位置，則接收回的反射光量也不同，放大器顯示數值不斷變化則代表錠座結合件旋轉靈活。

1.5 高精度激光位移傳感器LK-H057

應用場景：7-2ST測量錠腳端面跳動量。

工作原理：7-2ST工位對射傳感器檢測到有料后，氣缸帶動測端跳標定塊下落于錠腳端面，皮帶驅動錠座及標定塊一起轉動；LK-H057傳感器發(fā)出紅色半導體激光通過柱面物鏡將激光光束擴大為條狀，照射于黑色標定塊上并產生漫反射，反射光偏折30°后在CMOS上成像，通過檢測激光光束在標定塊上固定圓軌跡的最高、最低點數值，使其相減計算出端面跳動值，并在LK-HD500顯示單元上顯示，當端面跳動不大于0.08 mm時顯示為綠色數字，表示端跳合格。

2 機器人

機器人是應用于工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器裝置，它能自動執(zhí)行工作指令，靠控制程序和自身動力來實現各種功能，由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個基本部分組成[2]。

JWD6811ES系列錠子錠座自動裝配生產線為滿足零件上料、下料及中途運輸功能需求，共使用3個雅馬哈直向機器人、6個雅馬哈單軸機器人、3個三菱垂直多關節(jié)機器人及2個三菱水平多關節(jié)機器人，采用100%速率運行，可滿足生產節(jié)拍要求。

2.1 直向機器人

直向機器人有x，y，z三軸，應用于1-1ST彈性管錠底的上料、2-1ST軸承座上料以及6-6ST錠腳上料工位。直向機器人通過組合單軸機器人形成三軸，固定z軸滑臺，采用高剛性導軌，通過伺服電機帶動滾珠絲杠轉動，實現機器人手臂的高速運動和精準定位抓取，最高速度可達1200 mm/s，可實現±0.01 mm的精準定位。以1-1ST彈性管錠底的上料為例，通過手持控制器調試雅馬哈機器人夾爪至合適的零件抓取位置，確定長方形料框的四角x，y，z坐標，通過x=12和y=12的陣列，實現料框144個零件抓取點的精確定位，保證零件投放順利。

2.2 多關節(jié)機器人

多關節(jié)機器人分為垂直多關節(jié)機器人和水平多關節(jié)機器人。垂直多關節(jié)機器人有6個自由度，應用于1ST轉盤→2ST轉盤彈性管錠底的運輸、7ST轉盤→8ST轉盤錠座的運輸及8ST轉盤錠座的下料運輸。水平多關節(jié)機器人有4個自由度，應用于5ST轉盤→6ST轉盤錠膽的運輸。

多關節(jié)機器人控制系統(tǒng)按照輸入程序，對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號并進行控制，驅動系統(tǒng)通過動力裝置和傳動機構靈活生成空間軌跡，快速完成各種復雜動作；運動快速、平穩(wěn)、重復精度高，可充分滿足6 s的生產節(jié)拍需求。

以7ST轉盤→8ST轉盤錠座的運輸為例：三菱RV-7FLL-D型垂直多關節(jié)六軸機器人通過編程確定P0待機點、P1取出點、P30和P32途中經過點、P2投放點的坐標位置，分別設定取出點、投放點上方距離值以確定P11和P12點坐標位置，通過手持控制器示教輸入固定機器人運動路徑，確定其運動姿態(tài)和軌跡，將程序信息自動存入程序存儲器中。實際傳輸時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執(zhí)行機構再現示教的各種動作，最終依次按照P0→P30→P32→P11→P1→P11→P32→P30→P12→P2→P12→P30→P0順序完成單周期運輸功能。

3 伺服電缸

伺服電缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品。它將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，將伺服驅動系統(tǒng)的精確轉速控制、轉數控制、扭矩控制轉變?yōu)榫_速度控制、位置控制和壓力控制，從而實現精準壓配[3]。

JWD6811ES系列錠子錠座的自動裝配生產線采用新東伺服電缸進行壓配，應用于1-7ST彈性管錠底結合件包邊、2-4ST軸承座彈性管壓配、3-4ST壓軸承、3-9ST軸承座包邊及6-8ST錠膽錠腳壓配。經過多次驗證，設置最理想的電缸壓力、速度等參數，在電缸調試軟件界面實時顯示壓力位移曲線，以壓配過程各階段壓力與位移構建的矩形區(qū)域作為有效判定條件，實現一致性、精準化壓配。以6-8ST錠膽與錠腳壓配為例：伺服電缸通過調整電機轉速以18 kN的力均勻下壓，但初始零件的結合力須小于1kN，否則判定為NG；壓配中段在48mm～49 mm，壓力必須達到2 kN以上；最后壓配完成在49 mm～50 mm，壓力須達到18 kN～25 kN，最終形成的監(jiān)控曲線須依次經過壓力和位移構成的矩形區(qū)域，才會判定為合格品，繼續(xù)向下流轉。其應用曲線如圖1所示。

圖1 伺服電缸6-8ST錠膽結合件與 錠腳壓配應用曲線

4 PLC編程

PLC是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，采用可編程序存儲器存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，通過數字式、模擬式輸入和輸出，控制生產過程。

JWD6811ES系列錠子錠座結合件自動裝配生產線采用GX WORKS2軟件實現三菱PLC程序編制，充分考慮結合件在裝配過程中的各種邏輯情況，實現實時剔除和合理裝配。

如：各工位光電傳感器常開觸點信號串入總線，檢測有無零件是后續(xù)裝配動作執(zhí)行的先決條件；直振料道光纖傳感器常開觸點后，接料盤振動器置位信號，當直振料道缺料信號導通才會使料盤開始振動上料；錠膽結合件測外圓錐跳動數值比較信號后接機器人程序執(zhí)行路徑，當跳動量不大于0.059 mm時機器人執(zhí)行1號程序段并將零件放入下工位，否則執(zhí)行2號程序段將零件放入待修料盒；雅馬哈直向機器人夾爪氣缸磁性開關信號后接計數器指令，每有1次空抓高電平脈沖，計數器值增加1，到達5后觸發(fā)報警指令；真空吸附常閉觸點后接通電延時指令，吸附波形圈動作完成，500 ms后翻轉機構延遲翻轉避免打料；壓配工位位移到位和壓力合格信號串聯(lián)同時觸發(fā)高電平后，判定OK信號才被置位進行后續(xù)裝配動作；料盒排出提升機動作信號與氣缸定位信號互鎖，保證手動狀態(tài)下只有提升機上升到位、托住料盒后，氣缸定位桿才可以縮回……通過一系列編程邏輯性充分考慮，最終實現成套錠座的合格裝配，保證了設備運行的安全可靠。

5 結語

經緯JWD6811ES系列錠子錠座的自動裝配生產線依靠電氣控制系統(tǒng)，全面采集有效信息，科學測定關鍵尺寸，合理進行邏輯防錯，最終控制設備整線流程完整運行，實現6 s的快速生產節(jié)拍要求，下線錠座滿足工藝質量要求，整個裝配達到標準化，提升錠子品質一致化。