基于PLC的回轉支承裝配檢測臺控制系統設計

彭 洋，余曉流，談莉斌

(安徽工業大學 機械工程學院，馬鞍山 243032)

0 引言

目前，對回轉支承的裝配大多采用傳統的人工方式，通過人力使回轉支承的內外圈旋轉以便滾動體的裝填，這種方式勞動強度大，裝配質量差；同時，對回轉支承的檢測大多采用人工操作百分表、塞尺等簡單儀器的方式，檢測強度大，作業效率低，且這種人工裝配和檢測方式對大型回轉支承很難完成。而現有的回轉支承裝配和檢測裝置較少，主要針對某些特定型號和尺寸的回轉支承，檢測項目單一，且需要配合簡單儀器進行檢測，自動化程度低。針對上述問題，提出了基于PLC的回轉支承裝配檢測臺控制系統的設計。該系統以PLC為控制核心，交流伺服驅動系統為動力元件，傳感器為檢測元件，來實現回轉支承的裝配和多參數(軸向間隙、徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩)檢測，以提高回轉支承的裝配質量和檢測精度。

1 裝配檢測臺結構和工藝流程

1.1 裝配檢測臺結構

裝配檢測臺以內齒式或外齒式非風電回轉支承為對象，一方面可完成回轉支承內外圈和滾動體的裝配，另一方面可用于回轉支承軸向間隙、徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩的檢測。

據此，設計完成的裝配檢測臺結構主要包括軸向模塊、徑向模塊和旋轉模塊，如圖1所示為回轉支承裝配檢測臺示意圖。

圖1 回轉支承裝配檢測臺示意圖

軸向模塊有三組(360°均布)，且主要由裝夾機構和頂升機構組成。裝夾機構用于回轉支承內外圈的三點裝夾定心，通過電機來實現定心運動；頂升機構用于實現回轉支承內外圈軸向運動，以便電渦流位移傳感器對軸向間隙的檢測，同時由于被檢測對象為大型回轉支承且軸向運動精度對檢測結果影響大，故采用三組電動推桿同步推動頂升機構來實現軸向運動。徑向模塊主要包括螺桿機構、電動推桿、位移傳感器等，是用于回轉支承徑向運動和徑向間隙檢測。旋轉模塊主要包括齒輪機構、電機、位移傳感器和力矩傳感器等，一方面用于回轉支承內外圈的旋轉運動，另一方面用于齒圈跳動和空載啟動力矩的檢測。

1.2 裝配檢測臺工藝流程

裝配檢測臺工藝流程主要包括裝配模式和檢測模式，如圖2所示為裝配檢測臺工藝流程圖。

首先判斷回轉支承是內齒還是外齒，若是內齒則將齒輪機構手動進給至檢測臺內側，裝夾機構位于原點附近，若是外齒則將齒輪機構位于外側，裝夾機構自動進給至內側位置A(A距檢測臺中心距離a=200mm)，然后再選擇裝配模式或檢測模式。

1) 裝配模式：利用三組裝夾機構將回轉支承進行裝夾定心，然后通過回轉支承的工藝孔裝填一個滾動體至滾道內，裝填完后利用齒輪機構帶動回轉支承旋轉一定角度，繼續裝填一個滾動體，如此循環，直至裝配完成，再進入檢測模式。

2) 檢測模式分為軸向間隙、徑向間隙以及齒圈跳動和空載啟動力矩。

(1) 軸向間隙檢測：首先將三組頂升機構進給至回轉支承有齒圈的下部確定位置，再通過頂升機構實現回轉支承的軸向運動，最后通過位移傳感器檢測軸向位移。

(2) 徑向間隙檢測：首先將螺桿機構與回轉支承上的螺栓孔手動連接固定，再利用螺桿機構實現回轉支承的徑向運動，最后利用位移傳感器檢測徑向位移。

(3) 齒圈跳動和空載啟動力矩檢測：首先將齒輪機構與回轉支承有齒圈手動嚙合，其次通過齒輪機構實現回轉支承的旋轉運動，最后利用力矩傳感器檢測空載啟動力矩，同時利用位移傳感器檢測齒輪機構與回轉支承有齒圈的中心距變化，即為齒圈跳動。

圖2 裝配檢測臺工藝流程圖

2 控制系統控制要求

根據裝配檢測臺工藝流程的分析，對其控制系統提出以下控制要求：

1) 初始內外齒判斷：即裝夾機構位置的判斷，內齒時PLC控制裝夾機構位于原點附近，外齒時PLC通過伺服驅動器控制三組進給伺服電機運動，電機再通過滾珠絲杠帶動裝夾機構進給至A處。每組裝夾機構的行程極限和參考原點由接近開關控制。

2) 定心運動：PLC控制三組進給伺服電機運動，電機通過滾珠絲杠帶動裝夾機構直線運動，三組裝夾機構同時對回轉支承進行裝夾，從而實現回轉支承的定心運動。

3) 旋轉運動：PLC通過伺服驅動器控制傳動伺服電機運動，電機再通過減速器帶動齒輪機構旋轉運動，從而實現回轉支承的旋轉運動。

4) 人工輔助裝配：人工裝填一個滾動體后，PLC根據被裝配回轉支承所需的滾動體數N，控制回轉支承旋轉，再裝填一個滾動體，如此循環，直至裝填完成。為了操作者裝填滾動體時的安全，利用腳踏開關來判斷回轉支承是否旋轉運動，腳開關有效則旋轉回轉支承，相反則停止。

5) 軸向運動：PLC通過伺服驅動器控制三組電動推桿帶動頂升機構直線運動，三組頂升機構同步對回轉支承有齒圈進行頂升，實現回轉支承軸向運動；徑向運動：PLC控制電動推桿帶動螺桿機構直線運動，從而實現回轉支承徑向運動。利用壓力傳感器控制軸向和徑向運動極限位置。

6) 參數檢測和處理：PLC控制電渦流位移傳感器檢測軸向間隙、徑向間隙和齒圈跳動，控制力矩傳感器檢測空載啟動力矩，并采集數據進行處理，由觸摸屏顯示。

3 控制系統硬件組成

控制系統硬件主要由PLC、觸摸屏、交流伺服驅動系統、傳感器、光柵尺等組成，如圖3所示為控制系統硬件組成。

圖3 控制系統硬件框圖

PLC通過串行通信端口與觸摸屏連接，接受來自觸摸屏的輸入信號，經過處理后，輸出脈沖控制伺服電機，以實現運動控制，同時PLC采集傳感器信號進行處理，并將結果由觸摸屏顯示。

根據該控制系統的控制要求和對控制過程的分析，PLC控制系統I/O端口分配如表1所示。

表1 I/O端口分配表

由PLC的I/O端口分配表可知，系統共有25個輸入點，17個輸出點，為了滿足輸入輸出點數，且考慮性價比等因素，最終為裝配檢測臺控制系統選定歐姆龍公司的CP1H-XA 40DT-D小型PLC，其內置DC輸入24點，輸出16點，且 I/O擴展模塊選用CP1W-40EDT(24點輸入，16點輸出)。PLC輸入輸出接線圖如圖4所示。

4 控制系統軟件設計

4.1 觸摸屏設計

觸摸屏設計使用CX-Designer軟件，具有豐富的功能元件，且操作簡單。

觸摸屏設計包括界面創建和設定參數，其中界面創建是根據控制要求創建不同的界面，設定參數是把觸摸屏的功能和PLC地址之間建立相應聯系，以實現觸摸屏與PLC的信號傳遞。

觸摸屏界面主要由裝配界面和檢測界面組成，裝配界面是用于回轉支承的裝配控制，檢測界面又由軸向間隙、徑向間隙和齒圈以及力矩檢測界面三部分組成，用于參數的檢測控制和結果顯示。這些界面利用軟件中的ON/OFF按鈕實現開始和停止控制，通過數字顯示和輸入元件、數據日志圖表元件實現數據輸入和結果顯示功能，并利用命令按鈕元件實現各界面的切換。

如圖5所示為軸向間隙檢測界面，其中利用了四組數字顯示和輸入元件來實現軸向間隙數據的顯示，“開始”、“停止”ON/OFF按鈕元件實現了軸向間隙檢測的開始和停止控制，“裝配”、“徑向”、“齒圈/力矩”命令按鈕元件完成了各界面間的切換。

圖4 PLC輸入輸出接線圖

圖5 軸向間隙檢測界面

4.2 PLC程序設計

PLC程序設計使用CX-Programmer軟件。根據裝配檢測臺工藝流程可知，PLC程序可分為內外齒判斷、裝配模式和檢測模式。在PLC程序編寫前，須知道PLC的控制流程，PLC控制流程是根據控制系統的控制要求制定的。

1) 內外齒判斷PLC控制流程

圖6 內外齒判斷PLC控制流程

如圖6所示為內外齒判斷PLC控制流程。裝配檢測開始前需判斷回轉支承是內齒還是外齒，若是內齒，PLC接收到原點接近開關信號時，控制裝夾機構回原點；若是外齒，PLC計算裝夾機構進給至A處電機所需脈沖數c，從而控制三組進給電機運動，帶動裝夾機構進給至A處。

2) 裝配模式PLC控制流程

如圖7所示為裝配模式PLC控制流程。裝配開始后，PLC計算進給電機進給運動所需脈沖數n(通過回轉支承滾道直徑求的)，根據脈沖數PLC控制三組進給電機進給運動；進給運動完成后PLC接收到腳開關信號，控制傳動電機旋轉，同時計數器值N減1，若N不等于0，則繼續判斷腳開關信號，如此循環，直至N=0；裝配完成后，三組進給電機根據原點接近開關信號回原點，同時計數器復位。

圖7 裝配模式PLC控制流程

3) 檢測模式PLC控制流程

檢測模式PLC控制流程分為軸向間隙徑向間隙、齒圈跳動和空載啟動力矩檢測控制流程，如圖8所示。

（1）軸向間隙檢測控制流程

PLC計算三組進給電機進給運動所需脈沖數m(頂升機構進給至有齒圈下部)，從而控制電機運動；進給運動完成后，三組電動推桿開始同步運動，同時電渦流位移傳感器開始檢測，當PLC接收到壓力傳感器信號時，電動推桿停止運動，同時PLC采集位移傳感器的電壓變化數據，并將其存入數據存儲器中；PLC對采集數據進行運算處理，結果由觸摸屏顯示。

（2）徑向檢測控制流程

首先PLC控制電動推桿正向運動，同時位移傳感器開始檢測，當接收到壓力傳感器的信號時，正向運動停止并將此時采集的數據1存儲在數據存儲器中；其次PLC控制電動推桿反向運動，當接收到壓力傳感器的信號時，反向運動停止并將此時采集的數據2也存儲在數據存儲器中；PLC對采集的數據進行運算處理并由觸摸屏顯示。

（3）齒圈跳動和空載啟動力矩控制流程

PLC接收到腳開關信號后，控制傳動電機旋轉運動，同時采集電渦流位移傳感器的數據，并采集力矩傳感器的數據，將采集的數據存儲于數據存儲器中，結果由觸摸屏以圖表方式顯示。

圖8 檢測模式PLC控制流程

PLC控制系統的控制流程完成后，利用CXProgrammer軟件編寫相應的PLC程序梯形圖，并調試和運行。

4）數據運算處理

上述PLC程序編寫過程中，有很多部分涉及到數據的四則運算和浮點運算，如電機脈沖數計算、檢測數據處理等，若采用常規方法編寫程序來實現運算，則使得程序過長和復雜，因此在此采用軟件中的功能塊來實現運算。功能塊是通過梯級編程語言或結構化文本(ST)語言來實現標準處理功能，由功能塊定義和嵌入程序中的功能塊實例組成，創建簡單，可反復使用，適用于復雜編程。

以下采用功能塊來實現內齒式回轉支承裝配時進給電機脈沖數n的計算。

對于內齒回轉支承，裝夾機構對外圈裝夾，因此進給運動距離X=L-r-R，L為裝夾機構原點距檢測臺中心的距離，r為裝夾機構的半徑，R為回轉支承外徑的一半，同時進給電機輸出脈沖數為2500脈沖/轉，絲杠導程為5mm，則電機進給運動所需脈沖數n=500X。如圖9所示為脈沖數n計算功能塊。

圖9 脈沖數n計算功能塊

其中，功能塊采用ST語言，其計算語句為：

X:= REAL_TO_LREAL(A*B-A*C-A*D);

A、B、C、D的數據類型主要有整數INT、無符號整數UINT、實數REAL以及16位數據WORD等，在此A、B、C、D選用實數REAL類型，分別對應于地址D 100、D110、D120、D130中的數據，X則為長實數LREAL類型，存儲于地址D140中，即為脈沖數n。

5 結束語

本文設計的基于PLC的回轉支承裝配檢測臺控制系統具有以下成果：

1) 完成了回轉支承裝配時內外圈的自動定心和旋轉運動，以便滾動體的裝填，減少了勞動強度，提高了裝配質量；

2) 實現了回轉支承的多參數自動檢測，提高了作業效率，且利用了觸摸屏的人機界面使得操作簡單，檢測結果可視化。

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