基于PLC的腳輪軸承自動裝配機及控制系統設計

尹凌鵬，殷小亮，鄧玉娟，鄭麗文，張新星

（1.衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000；2.嘉興學院，浙江 嘉興 314000）

腳輪在工業搬運、醫療器械及日常生活中應用廣泛，據《2017—2023年中國腳輪行業產銷態勢及調查報告》顯示，2016—2017年我國腳輪行業需求量約81.92億個，行業銷售市場規模約241.63億元，同比（181.82億元）增長了32.9%[1]。腳輪行業市場需求在不斷增大，但是目前腳輪生產大多采用手工或半自動化的組裝方式，特別是腳輪中心軸承的裝配過程最為繁瑣，需要使用相應的工具進行人工組裝，效率低[2]。因此，設計了一種新型腳輪軸承自動裝配設備，以代替人工完成軸承裝配，包括自動入料、裝配、出料的整個工藝過程。

1 腳輪結構及腳輪軸承

腳輪包括活動型腳輪和固定型腳輪2種，主要由支架和單輪構成（圖1）。單輪裝在支架上，支架上預留有若干安裝孔，通過螺釘等使支架與設備相連接，腳輪通常安裝在設備底部，實現設備的靈活移動。

圖1 腳輪結構Fig.1 Structure of caster

腳輪軸承（圖2）安裝于單輪的軸承孔中，軸承與軸承座為過盈配合。一個單輪的軸承孔中可安裝2套并列的軸承。內圈為軸狀，2套軸承通常用擠壓的方式從兩側壓入單輪中心孔中，軸承裝入后兩內圈正好相抵，以防止腳輪工作時軸承偏斜。

圖2 腳輪軸承剖面圖Fig.2 Profile of caster bearing

2 自動裝配機硬件

2.1 裝配機結構設計

設計的軸承自動裝配機結構如圖3所示，主要由單輪送料機構、軸承送料機構及安裝機構3個部分組成。單輪送料機構主要將單輪送入安裝位，通過振動盤將待安裝單輪送入單輪導軌，傳感器檢測安裝位有無單輪存在，如果沒有，則由氣缸控制單輪進入單輪安裝位。軸承送料機構為對稱的兩部分，每部分分別輸送一套軸承進入安裝位，傳感器檢測軸承安裝位有無軸承存在，如果沒有，則由氣缸控制軸承進入軸承安裝位。軸承和單輪都到達預置位置后，驅動同步液壓缸將軸承壓入單輪軸承座內。待液壓缸縮回桿到位后，氣缸將安裝完成的單輪從單輪安裝位推出，單輪軸承安裝完成，進入下一個循環。

圖3 軸承自動裝配機結構圖Fig.3 Structure diagram of automatic assembly machine for bearing

2.2 PLC控制系統硬件設計

根據控制需要，設計裝配機控制系統硬件如圖4所示。設計PLC的輸入點數為24點，包括液壓缸動作限位開關（4點）、有無軸承供料檢測（2點）、有無單輪供料檢測（1點）、軸承及單輪安裝位檢測（3點）、氣缸動作限位（6點）、系統開關（2點）；設計PLC的輸出點數為11點，包括振動盤控制（2點）、液壓缸的電磁閥控制（2點）、物料控制氣缸電磁閥控制（6點）、推單輪氣缸電磁閥控制（1點）。

圖4 裝配機控制系統硬件Fig.4 Hardware of control system for assembly machine

控制器選用S7－200系列CPU226XP CN機型，該PLC的I／O點分配為18輸入、11輸出，可以滿足所設計控制系統的要求[3]。PLC的輸入、輸出分配見表1。

表1 輸入、輸出控制信號地址分配Tab.1 Address allocation of input and output control signals

3 控制系統設計

系統通過PLC實現信號檢測及動作控制，自動裝配控制系統流程如圖5所示。系統啟動后，單輪及軸承供料振動盤同時開始振動、輸送物料，當物料輸送至檢測位置時，檢測傳感器產生信號，PLC控制振動盤停止輸送物料，完成送料動作，若物料缺少，檢測傳感器產生信號，PLC控制振動盤繼續送料。同時，通過2個氣缸控制單個物料進入安裝位，單輪輸送軌道中，前一個氣缸推出用于擋住單輪，防止多個單輪進入安裝位，待后一個氣缸阻擋住后續單輪后，前一個氣缸才縮回，讓單個單輪進入安裝位；軸承送料設計思路相同。單輪進入安裝位后，檢測傳感器（光電開關）產生信號，軸承進入2個安裝位后，檢測傳感器（電感式接近開關）產生信號，PLC同時接收到安裝位的3個信號后，控制液壓缸推出到位，將軸承壓入單輪中心孔，液壓缸縮回到位后，單輪安裝位下方的氣缸推出，將安裝完成的單輪推出安裝位，軸承安裝過程完成[4－5]。

圖5 控制系統流程圖Fig.5 Flow chart of control system

工作中，若送料5 min以上軌道物料檢測傳感器還未檢測到物料，PLC將控制報警信號燈報警缺料；PLC在控制液壓缸推出之前須保證單輪安裝位的傳感器和2套軸承安裝位的傳感器都有信號，否則不執行裝配操作；裝配完成的單輪被推出安裝位2 s后，PLC將控制物料進入安裝位；按下停止按鈕，系統停止。

PLC控制程序按照I／O地址分配進行設計，使用中間繼電器（M）來保存中間狀態，通過傳感器信號來回饋動作的執行情況，通過上升沿觸發信號來傳遞狀態。PLC主程序根據程序流程圖設計，主程序部分片段如圖6所示。

圖6 PLC梯形圖主程序片段Fig.6 Ladder diagram of PLC main program fragment

4 結束語

針對腳輪中軸承安裝工序設計了腳輪軸承自動裝配機構，并基于西門子PLC設計了其控制系統。該軸承自動裝配機經實際檢驗，效果良好，已經投入實際生產應用。解決了原來需要人工操作安裝的過程，實現了裝配工藝的自動化，效率提高70%以上，大大節約了人力成本，而且自動裝配機成本低，可推廣性強，對于進一步實現腳輪全自動裝配具有一定的實際意義。