基于三菱PLC的接線端子裝配機的控制系統設計*

劉涵茜

(蘇州工業園區職業技術學院，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

由于人工勞動力短缺問題日益明顯，因此開發接線端子全自動組裝機已經成為小型外加工服務商的迫切需求。雖然接線端子組裝機都是小批量定制化產品，但是隨著家電市場的持續繁榮，開發接線端子裝配機仍然存在很大的市場空間。目前市場上接線端子種類繁多，根據使用場合的不同，各個廠家要求不一樣，設計形狀也大不相同，難以標準化，因此市場上該類型的自動化設備都是小批量定制化生產。本文所設計的接線端子裝配機專用于格力電器的接線端子，該設備需具有以下幾個特點：①投入少，產量高，并且控制系統簡單，保護功能齊全；②大量采用標準件，保證設備的運行穩定，并且后期的維護簡單快捷；③接線端子待裝配零部件較多，但要求設備裝配單元少，動作流程簡單。

1 接線端子裝配機的結構和功能

接線端子裝配機主要包括進料單元、植入螺母單元、插入墊片單元、鎖螺絲單元、插定位銷單元和出料單元6個部分。單元加工順序由順時針方向依次裝配：進料—植入螺母—插入墊片—擰螺絲—插定位銷—出料，每個零部件的供料都采用了振動盤排列。接線端子裝配機整體結構如圖1所示。

圖1 接線端子裝配機整體結構

為提高加工效率，接線端子裝配機采用了六工位圓盤順序裝配，可以實現多工位同時動作、加工，如圖2所示。六工位圓盤單元通過PLC控制步進電機來實現精準定位。設計機械結構時，考慮到該圓盤單元需要高度精準定位，因此凸輪分割器分為兩個軸，一個軸由主軸電機帶動，實現轉動相應的角度，帶動轉盤旋轉；另一個軸用于高速計數，相當于編碼器的功能。

1.1 植入螺母單元

螺母植入單元主要由旋轉氣缸、升降氣缸、真空吸頭和旋轉臂等部分組成，如圖3所示。當光纖傳感器檢測到直線送料器最前端有工件時，振動盤停止振動，傳感器傳遞取料信號，這時根據前后光纖傳感器來判斷旋轉升降機構如何動作，要實現的目標是使前真空吸頭有工件，后真空吸頭沒有工件。前真空吸頭用于放置工件到圓盤單元上，后真空吸頭用于抓取工件，當升降氣缸執行回縮到位時，兩邊的真空吸頭一個執行吹氣，另一個執行進氣。通過旋轉升降機構交替抓放工件，實現高效運行。

1-圓盤；2-凸輪跟隨；3-凸輪隨動器；4-主軸電機及減速器；5-凸輪分割器；6-同步輪

1.2 插定位銷單元

圖4為插定位銷單元。定位銷由振動盤供料，當插定位銷單元發出請求裝配信號，振動盤會通過氣管連接螺絲機夾嘴，通過氣吹的方式將定位銷送到螺絲機夾嘴處，此時送料氣缸執行下壓，下壓元件在送料氣缸力的作用下會將螺絲機夾嘴張開，使定位銷進入接線端子定位孔內，當送料氣缸到達限位處，氣缸進入緩沖狀態，在壓縮彈簧的作用力下繼續緩慢下降，直到到達油液緩沖器最大壓縮行程，氣缸執行服務動作，一個裝配工作周期完成。

1-密封圈槽；2-安裝快速接頭；3-旋轉氣缸；4-直線軸承；5-升降氣缸；6-圓柱導軌；7-真空吸頭；8-密封蓋板；9-旋轉臂

2 控制系統設計

2.1 控制流程

首先將振動盤里加滿料，通電開機自動工作運行；接著在人機界面上設定系統參數，查看觸摸屏是否有報警顯示，檢查指示燈是否運行正常，如果一切準備就緒，此時按下人機界面上的啟動按鈕，控制系統將會按照以下流程工作：首先從圓盤的振動盤進料口抓取工件，放入圓盤工位1，然后發出進料完成信號，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1和工位2同時工作，工位1進料、工位2向接線端子內植入螺母，待兩個工位都發出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3同時工作，工位1、2的動作與前面相同，工位3執行向接線端子內插入墊片的動作，待3個工位都發出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3重復前面的動作，工位4執行鎖螺絲的動作，待4個工位都發出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3、工位4執行前面相同的動作，工位5執行插定位銷的動作流程，待5個工位都發出裝配完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時一個裝配完成的接線端子將會在工位6出料口出料。按照這樣的順序流程循環連續工作，實現多個工位同時進行裝配的自動化批量生產任務。

1-螺絲機夾嘴；2-壓縮彈簧；3-下壓元件；4-送料氣缸；5-浮動接頭；6-直線導軌；7-油液緩沖器；8-導軌限位塊

2.2 系統互聯圖

通過分析控制流程可知接線端子裝配機的控制屬于順序控制，圓盤的旋轉采用步進電機及配套的驅動器控制；控制系統對信號的處理為數字量的處理和控制；通過人機界面來實現參數設置、啟停控制及實時監視等功能。針對上述要求，選用三菱晶體管輸出的FX3U系列PLC及昆侖通態的觸摸屏，PLC與觸摸屏之間通過232串口進行通訊，其系統互聯圖如圖5所示。

圖5 系統互連圖

2.3 PLC輸入/輸出信號接線

由于使用了步進電機控制六工位圓盤，因此選用晶體管輸出的PLC。FX3U系列的PLC帶有3個高速脈沖口，PLC的輸出端Y0～Y7為步進電機定位控制用，Y0～Y2為高速脈沖輸出口，Y3～Y7為方向信號。該系統設計電路中定義脈沖信號輸出為Y0，方向信號為Y3，脫機信號為Y4。此外Y10～Y37均為各單元氣缸電磁閥輸出信號，PLC的輸入信號主要來自于氣缸的磁感應傳感器以及光纖傳感器信號。PLC I/O接線圖如圖6所示。

圖6 PLC I/O接線圖

由于本系統設計占用的I/O點很多，選型所采用的FX3U-80MT輸入輸出點不夠，后又根據需要進行了I/O擴展，選擇的擴展模塊為FX2N-16ER。

2.4 觸摸屏設計

圖7為觸摸屏系統自動運行界面，設置了4個指示燈顯示，分別為自動運行、初始狀態、故障報警、原點位置，這樣能夠實時監控系統運行情況，只有在4個指示燈均顯示正常的狀態下才能夠啟動或者保持運行狀態；設置了3個按鈕，分別為啟動按鈕、停止按鈕和急停旋鈕；在觸摸屏的下方有5個功能界面按鈕，每個界面對應不同的功能，可以實現任意切換。

圖7 自動運行界面 圖8 報警顯示界面

圖8為系統報警顯示界面，滾動提示可以實時顯示當前故障；窗口提示能記錄一段時間內的所有報警，以表格的形式記錄，系統默認報警信息保存時間為一周；報警提示類似于窗口提示，在提供信息的同時還可以提供聲音報警；在觸摸屏的下方有5個功能界面按鈕，每個界面對應不同的功能，可以實現任意切換。

2.5 PLC編程

基于PLC控制的裝配系統采用了三菱GX Works2編程軟件編輯梯形圖程序，通過DZRN、DDRVA等定位指令完成步進電機的回零控制及位置控制，如圖9、圖10所示 。通過子程序調用選擇各工位程序的運行，縮短了程序掃描執行的時間。

圖9 步進電機原點回歸控制 圖10 步進電機定位控制

3 結語

接線端子裝配設備采用了三菱PLC控制，與原來的繼電器電路控制系統相比，具有更大的靈活性和通用性；通過人機界面能夠實現對設備的實時操作與監控，更加方便快捷。此設備采用自動控制，不需要人員頻繁操作，降低了工作強度，節省了人力和成本。通過一段時間的試運行，該設備能夠正常且穩定運行。