基于PLC的醫用塑料支架自動裝配系統的設計

韓以倫，李 梅，邱鵬程，侯 磊，李明波

（山東科技大學 交通學院，青島 266510）

0 引言

現代制造技術的不斷發展，為社會生產力帶來了巨大的飛躍。然而，由于加工技術超前于裝配技術許多年，兩者已經形成了明顯的反差，裝配工藝已成為現代化生產的薄弱環節，現代制造技術的發展使傳統的手工裝配工藝面臨著嚴峻的挑戰。裝配是一項復雜的生產過程，人工操作在裝配中作為一個生產元素出現，既不能保證工作的一致性和穩定性，又不具備判斷準確、靈巧的特性，因此已經不能與當前的社會經濟條件相適應。裝配自動化在于提高生產效率，降低成本，保證產品質量，特別是減輕或取代特殊條件下的人工裝配勞動。

該自動裝配系統受某醫療器械公司委托設計，用于某型號醫用塑料支架的自動裝配，由于裝配的零部件體積較小，所以采用自動裝配系統既安全、可靠、高效，又可以降低工人的勞動強度，提高企業生產效率。

1 機械系統

1.1 系統整體方案設計

塑料支架由上支架、塑料釘和下支架組成，各零部件結構如圖1所示。裝配時，先將塑料釘按要求方向放入放釘槽，放釘結束后再安放上支架，下支架上的熔柱體插入柱孔，最后熔柱，裝配完成。

醫用塑料支架自動裝配系統總體方案設計如圖2所示，步進電機推送下支架沿導軌進給，到達指定位置后，機械手抓取整列好的塑料釘放入下支架放釘槽，放釘結束后檢測塑料釘安放是否合格，若放釘不良則被推出導軌，若放釘工作準確完整則進入下一個位置，機械手抓取上支架安放，安放上支架結束后進入下一個位置，檢測上支架安放是否合格，若安放不合格，則該位置氣缸啟動，將其推離導軌，若安放合格，則進入下一個位置進行熔柱，熔柱完成則進入良品箱，裝配完成。

圖1 零件結構圖

1.2 系統工作流程

結合各零件結構圖和系統整體圖對該裝配系統工作流程進行詳細介紹：

圖2 自動裝配系統整體結構

1）準備工作。打開開關，步進電機和各氣缸原點復位到起始點，整列軌道各限位位置傳感器接通，整列軌道末端震動盤（圖中未畫出）開始震動，下支架、塑料釘和上支架分別整列并到達限位位置。

2）下支架進給。位于導軌側面的光纖傳感器感應到下支架后步進電機運行帶動推板推送下支架沿導軌往前進給，第一次進給68mm，使第一個下支架到達安放塑料釘的指定位置（1號放釘槽中心與氣爪1抓取的塑料釘中心在一條直線上）后，步進電機復位至原始位置；第二次進給34mm，進給下支架到位后步進電機同樣也要復位至原始位置；從第三次開始有規律，進給距離為兩短一長（第三次、第四次分別進給5.5mm，進給結束步進電機不復位；第五次進給23mm，進給結束步進電機復位），以此循環。推板有前端面和側端面，側端面與導軌平行，起限位作用，防止下支架在推板往前運動的同時進入導軌導致推板無法退回初始位置。

3）安放塑料釘。安放塑料釘的工作由機械手來完成，塑料釘整列軌道端部的傳感器（圖中未標出）感應到塑料釘整列至限位位置后，塑料釘搬運氣缸啟動，機械手抓取塑料釘并運動到指定位置，步進電機第二次進給結束后，控制機械手升降的氣缸啟動，機械手下降至限位位置后氣爪松開，塑料釘落入放釘槽，為了節約安放塑料釘的時間，機械手上固定兩個氣爪，氣爪前端加裝夾爪，兩個夾爪之間的距離為三個放釘槽的寬度，機械手一次抓取兩個塑料釘，每個下支架有六個放釘槽，分三次安放，安放順序為1、4號，2、5號，3、6號。

4）檢測塑料釘放置情況。利用光纖傳感器檢測塑料釘是否安放合格，光纖傳感器位于導軌側面，與安放塑料釘的形式一樣，兩個傳感器平行放置，同時工作，分三次進行檢測，檢測順序與塑料釘的安放順序一致，步進電機走完第四步后，第一個下支架安放塑料釘完成，步進電機走第五步后，第二個下支架開始安放塑料釘，第一個下支架進入檢測位置開始檢測，若有塑料釘安放不合格的情況，位于該位置的氣缸啟動，將其推離導軌進入不良品箱，若放釘合格，則進入下一個位置安放上支架。

5）安放上支架。該位置光纖傳感器檢測到下支架到達指定位置后，上支架搬運氣缸啟動，機械手下降至限位位置后氣爪3松開，上支架落入下支架，上支架安放完成，進入下一個位置進行檢測。

6）檢測上支架放置情況。該位置光纖傳感器檢測到裝配件到達位置后，采用光電傳感器檢測有無上支架，若無，則該位置氣缸啟動將其推離導軌進入不良品箱，若有，則進入下一個位置進行熔柱。

7）熔柱。裝配件進入該位置后，該位置氣缸啟動，控制熔柱觸頭下降，和熔柱觸頭一起下降的還有兩邊側板，側板最低點超出熔柱觸頭一定距離，下降的時候兩邊側板先接觸上支架，將上支架下壓，使下支架上的熔柱體進入柱孔，上支架完全扣緊在下支架內，氣缸繼續運動，熔柱觸頭接觸熔柱體，邊熔柱邊下降，運動到限位位置（完全熔柱）后（1-2秒），熔柱完成，氣缸復位到初始位置。

2 氣壓傳動系統

本裝配系統氣壓傳動就是利用氣缸完成機械手的前進、后退，氣爪的夾緊、松開，下放塑料釘和上支架以及熔柱觸頭的下降，執行元件種類少，原理簡單，但是氣缸的數量比較多，難在控制各個氣缸的聯動。這里以安放塑料釘的氣壓回路為例，給出氣壓原理圖，如圖3所示。

圖3 安放塑料釘氣壓傳動原理圖

3 電氣系統設計

本裝配系統采用PLC控制，電氣控制系統設計是本裝配系統的核心部分。本裝配系統執行元件有步進電機和氣缸，需要采集的反饋信號比較多，包括光電傳感器、光纖傳感器、溫控器等，此外該自動裝配系統還配有觸摸屏。

3.1 控制系統整體結構

控制系統整體結構如圖4所示。

圖4 整體控制系統結構圖

3.2 PLC選型

1）輸入輸出（I/O）點數的估算

根據被控對象統計的輸入點34為個，輸出點16為個，考慮10%—20%的可擴展余量后對輸入輸出點數圓整，確定為輸入輸出各40點。

2）存儲器容量估算

數字量I/O點數的10—15倍，加上模擬量I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量，確定內置RAM存儲器（8000步）。

3）機型的選擇

PLC的類型選擇整體型，電源選用220VAC電源，存儲器為8K存儲器，I/O總點數為80點，由于驅動的負載中有步進電機，因此選用晶體管輸出型，最后考慮系統以后的通用性選用三菱FX2N-80MT-001（NPN）。

根據控制要求結合裝配工藝流程編制I/O點分配如表1所示。

表1 I/O點分配表

4 結論

本文主要介紹了某醫用塑料支架的裝配工藝流程，采用PLC控制技術和多傳感器融合技術，控制步進電機和氣缸等執行元件完成自動裝配工作。多傳感器信息融合技術可以提高對機械手位移控制的跟蹤能力，實現對位置的準確定位，從而提高系統的可靠性。該系統雖然是非標準設備，但其設計思路值得推廣，可以應用到其他行業產品的自動化裝配系統設計。

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