起動(dòng)機(jī)單向器自動(dòng)裝配設(shè)備氣動(dòng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

起動(dòng)機(jī)單向器是起動(dòng)設(shè)備的重要部件，其功能是在起動(dòng)過程當(dāng)中可靠地傳遞起動(dòng)機(jī)扭矩給發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，發(fā)動(dòng)機(jī)被發(fā)動(dòng)后借助單向器的單向作用保護(hù)起動(dòng)機(jī)電樞，防止其因高速而損壞。起動(dòng)機(jī)單向器由多個(gè)零件組裝而成，各零件體積小，不易抓取和定位，目前，生產(chǎn)企業(yè)多采用人工裝配，效率低下，出錯(cuò)率高。研發(fā)的單向器自動(dòng)裝配設(shè)備能實(shí)現(xiàn)各零件的自動(dòng)裝配，本文著重介紹其氣動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

1 設(shè)備主體結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，起動(dòng)機(jī)單向器共由5種零件組裝而成，分別是星輪、滾柱、彈簧、墊片和套筒，每個(gè)星輪有3個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽內(nèi)裝有一組彈簧和滾柱，星輪內(nèi)孔裝有套筒和墊片。裝配時(shí)，先將壓縮后的彈簧滾柱分別壓入星輪的3個(gè)凹槽內(nèi)，再將套筒插入墊片內(nèi)孔組裝，再作為一個(gè)部件整體一起插入星輪內(nèi)孔，完成組裝。

考慮到各零件體積小，質(zhì)量輕，外形簡單，設(shè)計(jì)中采用電磁振動(dòng)上料方式將各零件篩選后順序輸送到裝配工位，選擇氣缸作為裝配動(dòng)作的主要執(zhí)行元件[1]。為提高裝配效率，減少設(shè)備空間占用，各工位采用環(huán)形布局，其主體主要由振動(dòng)上料盤、旋轉(zhuǎn)主盤、星輪抓取工位、彈簧滾柱裝配工位、墊片套筒裝配工位和機(jī)架等組成，如圖2所示。

圖1 單向器的構(gòu)成及裝配順序

1）振動(dòng)上料盤

各零件均采用電磁振動(dòng)盤上料，配合直線料道，可以將各零件快速順序輸送到裝配工位，在直線料道上裝有光電開關(guān)，用于檢測是否料滿，從而控制振動(dòng)盤的啟停。

圖2 單向器自動(dòng)裝配設(shè)備樣機(jī)

2）旋轉(zhuǎn)主盤

旋轉(zhuǎn)主盤是各裝配工位的操作平臺(tái)，上面均勻分布有8個(gè)裝配模座。由異步電機(jī)通過凸輪分割器驅(qū)動(dòng)主盤旋轉(zhuǎn)，配合光電開關(guān)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈會(huì)自動(dòng)停止一次，主盤正好旋轉(zhuǎn)45°，等各工位完成裝配后，電機(jī)重新啟動(dòng)，進(jìn)行下一次旋轉(zhuǎn)。通過一臺(tái)變頻器來控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)設(shè)備整體工作節(jié)奏，最大程度提高組裝效率。

3）星輪抓取工位

該工位主要由星輪夾持氣爪、星輪上下氣缸、星輪左右氣缸、星輪壓料氣缸及附屬機(jī)構(gòu)組成?？梢詫⑿禽啅闹本€料道上抓取并移送至旋轉(zhuǎn)主盤的裝配模座中。

4）彈簧滾柱裝配工位

該工位主要由彈簧送料氣缸、彈簧滾柱上料氣缸、彈簧滾柱壓料氣缸、步進(jìn)電機(jī)及附屬機(jī)構(gòu)組成。由于彈簧的彈性系數(shù)較低，采用氣爪或吸盤抓取容易變形，造成定位和組裝困難，因此，在氣缸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)端部安裝一塊強(qiáng)力磁鐵來吸引彈簧，并利用磁力線方向定位彈簧。由于星輪上有三個(gè)凹槽，需要分別安裝三組彈簧和滾珠，采用一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)對(duì)星輪進(jìn)行120°分度。上述執(zhí)行元件相互配合，可將彈簧滾柱裝配到星輪對(duì)應(yīng)的凹槽中。

5）墊片套筒裝配工位

該工位主要由套筒撥料氣缸、套筒左右氣缸、墊片上下氣缸、墊片左右氣缸、壓料電磁鐵及附屬機(jī)構(gòu)組成。各氣缸相互配合將套筒和墊片組裝在一起后，由壓料電磁鐵將組件吸起并壓入星輪內(nèi)孔中完成組裝，再由成品落料氣缸送入儲(chǔ)料箱中。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)設(shè)備中，大部分工藝動(dòng)作采用氣動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)，包括星輪抓取、滾柱彈簧裝配和墊片套筒裝配等。考慮成本、行程、負(fù)載和安裝方式等因素，選取表1所示的各氣動(dòng)元件型號(hào)。其中，各零件的上下或前后動(dòng)作選用了雙軸氣缸，左右動(dòng)作選用了滑臺(tái)氣缸，抓取動(dòng)作選用了氣動(dòng)手爪。系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖如圖3所示。

表1 氣缸型號(hào)表

圖3 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

在該氣動(dòng)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件為11個(gè)氣缸和1個(gè)氣爪。對(duì)于有動(dòng)作聯(lián)鎖關(guān)系回路，采用雙電控?fù)Q向閥換向，防止產(chǎn)生機(jī)械干涉，其他回路均采用單電控?fù)Q向閥換向。由于各氣動(dòng)執(zhí)行元件要按照一定邏輯關(guān)系順序動(dòng)作，因此在每個(gè)氣缸兩端裝有磁性開關(guān)，便于PLC邏輯控制。氣缸的運(yùn)動(dòng)速度通過節(jié)流調(diào)速閥調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)能快速穩(wěn)定運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制要求

1）控制系統(tǒng)應(yīng)按照一定的邏輯關(guān)系，控制各執(zhí)行元件準(zhǔn)確完成各工藝動(dòng)作；

2）應(yīng)具有兩種控制模式,自動(dòng)模式用于單向器的整體裝配、連續(xù)生產(chǎn)，手動(dòng)模式用于調(diào)試、檢查維修等工作；

3）應(yīng)有友好的人機(jī)界面，能顯示各執(zhí)行元件狀態(tài)及設(shè)定必要的數(shù)據(jù)信息；

4）為保證設(shè)備的流暢性和智能性，在容易出現(xiàn)卡料和漏料的地方，應(yīng)安裝必要的傳感器，出現(xiàn)問題及時(shí)提示或報(bào)警。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC選型

根據(jù)設(shè)備工作原理，需控制的執(zhí)行元件主要有氣缸、步進(jìn)電機(jī)、交流異步電機(jī)、電磁鐵和電磁振動(dòng)盤。其中，電磁振動(dòng)盤屬于定制部件，隨機(jī)帶有控制器和光電開關(guān)，經(jīng)簡單設(shè)置參數(shù)后即可自動(dòng)控制振動(dòng)盤的啟停，并能通過調(diào)節(jié)振幅控制送料速度。對(duì)設(shè)備其余工位，設(shè)計(jì)了以西門子S7-200 Smart PLC和工業(yè)觸摸屏為核心的控制系統(tǒng)[2]。

根據(jù)被控對(duì)象的種類和數(shù)量，確定PLC所需輸入端口為31個(gè)，輸出端口為26個(gè)?？紤]到被控對(duì)象中有1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，故選用具有高速脈沖輸出功能的CPU ST40和EM DT32擴(kuò)展模塊。選擇西門子Smart 1000IE觸摸屏作為主要人機(jī)界面，該觸摸屏支持RJ45接口和TCP/IP協(xié)議，可直接用網(wǎng)線與PLC連接，非常方便?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 傳感器選型

設(shè)備中的傳感器主要用來檢測動(dòng)作是否到位和各工位是否有料，選用的各傳感器如表2所示。其中氣缸到位檢測選用配套的磁性開關(guān)，體積小巧，便于安裝接線。星輪、滾柱、套筒和墊片的有料檢測采用對(duì)射式光電開關(guān)。彈簧的檢測是個(gè)難點(diǎn)，由于彈簧整體長度為5mm，彈簧絲直徑僅0.3mm，用普通光電開關(guān)、電感或電容式接近開關(guān)均不能有效檢測，若采用分辨率較高的光纖傳感器，則只有在彈簧位于特定位置時(shí)才能檢測到，這對(duì)彈簧機(jī)械定位要求過高。為增加彈簧的有效檢測范圍，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采取了光纖傳感器動(dòng)態(tài)測量的方式，即當(dāng)彈簧由氣缸驅(qū)動(dòng)在工位間往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行檢測，可有效檢測出彈簧的有無。

表2 傳感器選型表

3.2.3 PLC和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的聯(lián)接

所選擇的PLC的 CPU-ST40 主機(jī)模塊集成有三個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)[3]，最多控制3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，本系統(tǒng)中只有一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)PLC編程軟件中的“運(yùn)動(dòng)控制向?qū)А苯M態(tài)分配，確定Q0.0輸出脈沖信號(hào)，Q0.2輸出方向信號(hào)，Q0.4輸出使能信號(hào)。

根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算選擇山社SS9093A05B型步進(jìn)電機(jī)，其配套驅(qū)動(dòng)器為山社MD-2522型驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器有2個(gè)光電隔離高速輸入口STEP和DIR，可接受5-24VDC單端或差分信號(hào)，信號(hào)下降沿有效。由于西門子PLC的輸出端口采用共陽接法，因此，在驅(qū)動(dòng)器端采用共陰接法，如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)控制接線圖

3.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序利用西門子STEP7-MicroWIN SMART V2.1軟件編寫，采用模塊式結(jié)構(gòu)，將初始化、手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行和故障處理分別編寫成子程序，在主程序中按條件調(diào)用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，在完成整體動(dòng)作的基礎(chǔ)上，使各工位在動(dòng)作互不干涉的情況下盡可能多的并行工作，以提高設(shè)備整體運(yùn)行速度；在定位精度要求較高的關(guān)鍵位置，適當(dāng)增加延時(shí)控制，并與氣動(dòng)節(jié)流調(diào)速閥配合，保障設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

為使設(shè)備具有較好的操控性和智能性，在故障處理模塊中，對(duì)各個(gè)位置上的傳感器和相應(yīng)動(dòng)作關(guān)系進(jìn)行判斷，隨時(shí)給出提示或報(bào)警信息，并在報(bào)警時(shí)自動(dòng)暫停，保持設(shè)備現(xiàn)有狀態(tài)，待故障排除后繼續(xù)運(yùn)行，以減少廢品率。

步進(jìn)電機(jī)的控制子程序可利用編程軟件自帶的“運(yùn)動(dòng)控制向?qū)А惫ぞ呱?，該向?qū)Чぞ呖煞峙銹LC控制端口，設(shè)置電機(jī)運(yùn)行的速度、加速度和工程單位脈沖數(shù)等，如圖6所示。生成的運(yùn)動(dòng)控制子程序可根據(jù)條件在主程序中調(diào)用，圖7所示為步進(jìn)電機(jī)手動(dòng)控制程序和位置控制程序。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?/p>

圖7 步進(jìn)電機(jī)控制程序

3.3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面采用西門子WinCC flexible SMART V3組態(tài)軟件開發(fā)，主要顯示各執(zhí)行元件和傳感器的當(dāng)前狀態(tài)信息，以及進(jìn)行必要的手自動(dòng)操作，圖8為觸摸屏手動(dòng)和自動(dòng)操作界面。

圖8 觸摸屏界面

4 結(jié)束語

根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案開發(fā)的設(shè)備樣機(jī)，經(jīng)反復(fù)調(diào)整優(yōu)化，已經(jīng)可以順利完成全部工藝過程，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，目前組裝效率約為3套/分鐘。后期擬通過優(yōu)化控制策略，盡可能使各工位并行工作，同時(shí)適當(dāng)提高氣缸運(yùn)動(dòng)速度，縮短運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)一步提高組裝效率。