基于PLC的轴式膨胀螺栓自动组装设备控制系统设计

来源:用户上传      作者:

　　摘  要： 介绍轴式膨胀螺栓自动组装设备的组成及工作原理，根据轴式膨胀螺栓自动组装设备的自动化控制要求，设计基于PLC的控制系统，包括轴式膨胀螺栓自动组装设备控制系统总体方案的设计，控制系统的硬件设计和控制系统的软件设计。在此基础上，对轴式膨胀螺栓自动组装设备进行现场调试及实验研究。实验研究结果表明，开发设计的控制系统能够满足轴式膨胀螺栓自动组装设备自动化控制要求，实现了膨胀螺栓的自动化装配。
　　关键词： 膨胀螺栓;自动化组装; 控制系统; 硬件设计; 软件设计; 设备调试
　　中图分类号： TN876?34; TP237.5                    文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）01?0107?04
　　Design of PLC?based control system for shaft type expansion bolt
　　automatic assembly equipment
　　CUI Guohua， WANG Yanqiang， CAI Chaozhi， ZHANG Yanwei
　　Abstract： The composition and working principle of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment are introduced in this paper. The PLC?based control system of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment is designed according to its automatic control requirements， including the overall scheme design， the hardware design and the software design of the automatic assembly control system of the shaft type expansion bolt assembly equipment. On this basis， field debugging and experimental research on the automatic assembly equipment of axial expansion bolt were carried out. The experimental results show that the developed control system can meet the requirements of automatic control of the shaft type expansion bolt automatic assembly equipment， and the automatic assembly of the expansion bolt can be realized.
　　Keywords： expansion bolt; automation assemble; control system; hardware design; software design; equipment debugging
　　0  引  言
　　緊固件作为一种机械基础件，其技术先进程度是保证装备制造业技术先进与否和产品质量最为关键的一环。目前我国的汽车、航空、国防工业、高铁、钢铁和造船等行业对高性能、高精度的标准件的需求量猛增。目前市场上小零件的自动化并没有完全实现，尤其是使用广泛的膨胀螺栓。现在主要的生产方式是人工组成的生产线手工装配，虽然其组装工序并不繁琐，但生产方式自动化程度差、效率低，而且由于生产环境恶劣，考虑到人力物力资源的分配，生产效率的提高，对其实现自动化是发展的必然。纵览国内外装备制造行业的发展，实现高精准、高可靠性、高生产效率是显示自身竞争实力的硬性标准。
　　经调研，国外没有用于膨胀螺栓组装的自动化设备，国内有深圳市智绘自动化设备有限公司和宁波攀高自动化科技有限公司等两家企业，相继研发出用于膨胀螺栓组装的专用自动化设备，但是由于其控制系统不稳定，自动上料系统容易出现卡顿现象，不能适应多种型号膨胀螺栓的组装，设备故障率比较高，生产效率低。所以，目前膨胀螺栓的组装仍然采用纯手工操作的生产模式，导致生产效率低、用工量大、工人劳动强度大等诸多弊端，无法满足高速发展的工业需要。
　　针对目前状况，研发一种适用于中小企业的用于膨胀螺栓自动组装高效设备，在此基础上开发控制系统，实现膨胀螺栓的自动化生产不仅可以降低企业生产成本和工人劳动强度，而且可以提高膨胀螺栓生产的质量及生产效率，具有重大的经济效益和现实意义。本文在研发的轴式膨胀螺栓自动组装设备的基础上，采用PLC控制技术对控制系统展开开发和设计，实现了轴式膨胀螺栓组装机的自动化运行。
　　1  控制系统总体方案设计
　　1.1  设备组成及工作原理
　　轴式膨胀螺栓自动组装机的结果如图1所示，主要包括自动组装机构和上料机构。自动组装机构主要包括机架、轴式组装装置、顶针推进装置和摆臂压紧装置。上料机构主要包括供料输送装置、螺母输送装置、弹垫输送装置、平垫输送装置、套管输送装置和螺杆输送装置。 　　設计的轴式膨胀螺栓自动组装设备的基本运行原理为：首先，设备组成中的五个输送装置在振动盘的控制下同时开始输送组装目标工件的零件，零件通过轨道到达指定位置后，通过PLC控制伺服电机，带动滚筒旋转;其次，通过气缸驱动顶针预紧目标工件;然后，旋转电机驱动传动系统带动压轮转动，使螺栓顺利旋入套筒;最后，完成工件组装后，压轮上抬，顶针缩回，滚筒转动，进入下一个工作周期，依次循环从而使轴式膨胀螺栓组装机实现自动化控制。
　　1.2  控制功能要求
　　组装目标工件分为五个部分：螺母、弹簧垫圈、平垫圈、套管及螺栓。在开始完成组装执行动作之前，需要目标工件五个零件各个相对应的输送装置通过轨道输送各个零件全部到达旋转取料组装盘上的指定位置。为了使各个零件准确到位，在旋转取料组装盘的极限位置安装接近开关，对目标工件的螺母、弹簧垫圈、平垫圈、套管及螺栓滑动到旋转取料组装盘的时间进行控制，确保不会有多余的零件提前进入组装位置。满足组装条件后进行组装。最重要的是在组装过程中能够实现螺杆拧到螺母中的精准定位，直到装配完成离开组装工作区域，这是设备正常工作的基本要求。
　　1.3  控制方案
　　根据轴式膨胀螺栓自动组装设备的工作原理和基本要求，本文采用PLC实现轴式膨胀螺栓自动组装设备控制系统的设计。控制结构原理图如图2所示，由图2可知，整个控制系统由PLC控制器、旋转电机、顶针、伺服驱动器、编码器、伺服电机、取料组装盘、气动电磁阀、气动压轮、升降气缸、压轮开/合位置（弹垫、平垫、螺杆、套管、螺母）限位开关和气缸升降限位开关组成。其中，PLC是整个控制系统的核心，通过控制气动压轮的下压和上抬、伺服电机的转动和旋转电机控制顶针的伸缩，实现整个设备按照控制要求进行动作。旋转电机通过驱动顶针完成目标工件的装配预紧动作，由于伺服电机是一个自带编码器的闭环执行器，伺服电机通过驱动取料组装盘完成装配后工件的移动动作，由于伺服电机具有较高的定位精度，满足本设备对平移位置精度的要求[1?2]。气动电磁阀用来实现压轮的下压和上抬以及气缸的伸缩控制，限位开关将压轮的下压和上抬以及气缸的伸缩状态反馈给PLC，保证设备的正常运行。
　　2  控制系统的硬件设计
　　2.1  电机选型
　　根据控制系统的结构设计可知，在轴式膨胀螺栓自动组装设备的运行中，需要两个电机来完成工作。旋转电机的主要作用是通过传动机构使压轮压下和抬起，并在压下的过程中旋转，将螺母旋紧螺杆，实现目标工件的预紧。此电机只需提供动力，对速度和位置的控制无要求，选择一般的单相交流电机即可，这里选用浙江迈力公司生产的电机（5IK90（120）RGS?CF）。电机的主要参数如下：额定电压为220 V，额定输出功率为120 W，额定转速为1 350 r/min，减速比为1[∶]3。
　　取料组装盘是完成工件组装的主要部件，在组装过程中，需要电机来控制取料组装盘，在此过程中对位置有较高的精度要求，普通的电机很难实现这一工作要求。由于伺服电机是一种自带编码器的闭环执行器，具有较高的位置和速度控制精度，因此设备中选用伺服电机实现工件的组装。根据膨胀螺栓自动组装设备的控制要求[3?4]，最终选择台达伺服电机（ECMA?C20604SS）和相应的驱动器（ASD?B2?0421?B）实现设备的装配功能。
　　2.2  控制器选型
　　根据轴式膨胀螺栓自动组装机控制系统对输入点、输出点、模拟量及扩展模块数量的实际需求[5?6]，综合考虑决定采用SIMATIC S7 200系列PLC（CPU224XP）[7?8]。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，20 KB程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100 kHz），2个100 kHz的高速脉冲输出，2个RS 485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。由于该CPU输入输出点数较少，扩展了一个EM223模块。
　　2.3  控制系统电路设计
　　根据系统和控制要求对输出输入点数PLC的I/O地址进行分配，如表1所示。
　　根据输入输出表可知，该系统有9个输入口，16个输出口。分别表示启动、停止、正转点动、反转点动等的I端口和脉冲输出、停止指示、电机方向等的Q端口。根据PLC的I/O分配表，设计PLC控制电路如图3所示。
　　根据控制系统的要求，完成PLC的外围电路设计，给出PLC的外围电路接线图如图4所示。
　　3  控制系统软件设计
　　本文采用模块化编程思想对轴式膨胀螺栓自动组装控制系统的软件进行设计[9]。在编程时，以一个主程序为主体部分，通过若干个子程序和中断程序为分支，主程序通过调用子程序和中断程序来实现程序设计的多功能化。在每个扫描周期内，PLC都是按顺序来执行的。功能子程序包括初始化子程序、电机手动正反转子程序、电机自动子程序、顶针伸缩子程序、压轮抬压子程序、组装盘旋转子程序、复位子程序，分别用来实现初始化功能、顶针伸缩功能、压轮抬起或下压功能、组装盘旋转功能及复位等功能，中断程序用来解决PLC和伺服电机之间用脉冲信号的联络问题。
　　系统的工作流程如图5所示。由图5可知：系统开始运行后，首先同时打开输送目标工件各个零件的设备装置，使目标工件的螺母、弹垫、平垫、套管、螺杆到达工件组装的指定位置，期间零件输送过程中到达哪个位置由各自的限位开关进行判断，然后顶针伸出将螺杆依次穿到套管、平垫、弹垫里面，直到螺杆末端顶住螺母，接着压轮压下旋转将螺母拧到螺杆上装配好，压轮抬起，顶针收缩，伺服电机驱动组装盘旋转，将装配好的工件移出组装的工作位置，一个周期执行完毕，等待下一步控制信号。
　　4  调试与实验
　　为了验证轴式膨胀螺栓自动组装机设计原理的正确性，搭建样机，开发设计轴式膨胀螺栓自动组装机控制柜，对系统进行实验和调试，样机图及控制柜如图6，图7所示。 　　實际调试时，控制系统的调试可以分为模拟调试和现场调试两个部分。调试前，检查PLC外部的接线是否正确的连接好，确保无误。然后开始模拟调试，把设计好的程序导入PLC，对所写程序逐条检查，改正调试时出现的错误。对于顺序控制程序来说，调试程序的作用是检查运行程序是否符合功能表图的规定。之后现场调试，将控制柜与设备进行联机总调试，在调试过程中将系统中可能出现的执行器、硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题及时解决。如果调试后达不到控制的基本要求，应对相应硬件和软件部分作出适当调整。
　　调试完毕后，对控制系统进行实验研究。首先从初始位置开始，按照程序控制顺序执行，直到第一个周期完成。实验结果表明，开发的轴式膨胀螺栓自动组装机控制系统能够完成预定控制要求，顺利地装配好工件，能够达到很强的自动化水平。
　　5  结  语
　　本文针对传统的人工组装工艺技术生产效率低、劳动强度大、生产成本高的问题，设计基于PLC控制的轴式膨胀螺栓自动组装机控制系统，其中包括总体方案的设计，系统的硬件选型和软件设计等。通过实验完成了预期的装配任务，实现了膨胀螺栓生产的机械化、自动化，提高了生产的工艺水平、制造质量及生产效率，降低了工人劳动强度，能够在实际生产中得到应用。
　　参考文献
　　[1] 程智，董登峰，周维虎，等.基于位置敏感器件的高精度激光位置检测系统[J].激光与光电子学进展，2016，53（8）：152?160.
　　[2] 薛超，魏昕，谢小柱.CMP设备抛光头高精度位置实时检测系统设计[J].制造技术与机床，2018（5）：63?67.
　　[3] 肖潇，杨金堂，全芳成，等.伺服电机的选型原则与计算[J].机床与液压，2014，42（22）：44?46.
　　[4] 桑伟进.重型机床进给伺服系统性能分析与电机选型[D].武汉：华中科技大学，2016.
　　[5] 于复生，徐升明，杜桂林，等.基于S7?200PLC的散热片自动化装配的控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2014（11）：107?109.
　　[6] 杨虹，陈静，刘云龙.基于西门子S7?200PLC的传输带控制系统设计[J].控制工程，2016，23（9）：1340?1342.
　　[7] 李广威.基于PLC的台车式燃气热处理炉的控制系统研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学，2015.
　　[8] 陈泊钢.基于PLC的厂房暖通空调机组控制系统开发与研制[D].大连：大连理工大学，2015.
　　[9] 李言武.PLC编程技术应用与解析[J].工业控制计算机，2014，27（10）：161?162.
　　作者简介：崔国华（1975—），男，博士，教授，主要从事机器人机构学等方面研究。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15122178.htm