基于PLC 的軸承自動(dòng)裝配機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 昊，吳何畏

（湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053）

引言

作為精密的機(jī)械基礎(chǔ)件，滾動(dòng)軸承是一種通用性很強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的旋轉(zhuǎn)支承元件，對(duì)主機(jī)性能和使用壽命的影響非常關(guān)鍵和重要。其裝配是通過(guò)一定的方法和步驟，將內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架等主要零件，按規(guī)定的精度、游隙、預(yù)緊、清潔度以及振動(dòng)和噪聲等技術(shù)要求組裝成軸承成品的工藝過(guò)程。目前企業(yè)生產(chǎn)中依然普遍存在的手工和半自動(dòng)加工裝配情況已經(jīng)成了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸。自動(dòng)裝配不會(huì)因?yàn)楣と似凇⑹韬觥⑶榫w、技術(shù)不熟練等因素影響而造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或不穩(wěn)定。大批量的自動(dòng)化裝配還會(huì)可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。因此，將現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造或重新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，成為了必然的趨勢(shì)。

1 滾動(dòng)軸承的裝配工藝

滾動(dòng)軸承的裝配是軸承加工當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，其裝配工藝比較復(fù)雜，有精度、游隙、預(yù)加載荷、清潔度、振動(dòng)和噪聲等各項(xiàng)技術(shù)要求[1]。

各種滾動(dòng)軸承裝配的工序基本相同，以6000-2Z 系列深溝球軸承為例，其裝配流程如圖1所示。

圖1 6000-2Z 系列深溝球軸承裝配工藝流程圖

2 軸承自動(dòng)裝配系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為穩(wěn)定可靠完成軸承的裝配控制功能，提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，考慮到用戶(hù)和成本等一系列問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套經(jīng)濟(jì)適用的控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 控制系統(tǒng)不僅能完成傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的全部功能外，還可實(shí)現(xiàn)模擬量控制、開(kāi)環(huán)或閉環(huán)過(guò)程控制，以及多級(jí)分布式控制。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

軸承自動(dòng)裝配裝置的總體設(shè)計(jì)方案如下頁(yè)圖2所示。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是：由PLC 控制系統(tǒng)完成各工位工序的順序控制和并行動(dòng)作協(xié)調(diào)，生產(chǎn)效率大幅提高；通過(guò)伺服閉環(huán)控制方式，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)定位精度可以保證軸承裝配的精度要求，同時(shí)也滿(mǎn)足平穩(wěn)迅速和安全可靠性的要求。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案

2.3 控制系統(tǒng)的硬件選型

2.3.1 PLC 選型

PLC 需要輸出脈沖控制步進(jìn)和伺服電機(jī)，結(jié)合其他輸入/輸出裝置共計(jì)占用輸入點(diǎn)43 個(gè)，輸出點(diǎn)44 個(gè)。綜合考慮性?xún)r(jià)比、靈活性等諸方面因素，選擇三菱FX2NC-96MT[2]。其輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)各48 個(gè)，晶體管輸出型，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

2.3.2 伺服系統(tǒng)選擇[3]

根據(jù)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及啟動(dòng)力矩，選臺(tái)達(dá)ECMA-C30807ES 電子換向式三相永磁同步交流伺服電機(jī)，電壓220 V，轉(zhuǎn)速3 000 RPM，功率750 W。

伺服控制器選臺(tái)達(dá)ASD-A0721-AB，功率750W，編碼器分辨率10 000 PPR。

光電編碼器選臺(tái)達(dá)2 500 PPR 配套專(zhuān)用產(chǎn)品。

2.3.3 其他電氣元件選擇。

開(kāi)關(guān)電源。因?yàn)镻LC 選用了晶體管輸出型的MT 系列，現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥、指示燈以及傳感器均采用直流24 V 供電，故選A-250-24 型號(hào)，220 V 輸入，24 V 輸出，輸出電流10 A，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

電磁閥。系統(tǒng)中取放和搬運(yùn)工件由機(jī)械手完成，通過(guò)電磁閥控制，根據(jù)動(dòng)作要求和輸出端對(duì)負(fù)載的要求，故選SY5120-5GD-01，其線(xiàn)圈電壓采用直流24 V。

3 程序設(shè)計(jì)

I/O 分配表略。

3.1 SFC 程序設(shè)計(jì)

SFC 即Sequential Function Chart，順序功能圖，具有結(jié)構(gòu)清晰、直觀(guān)簡(jiǎn)便、易于閱讀和維護(hù)等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的SFC 控制流程如圖3 所示。

圖3 SFC 控制流程

1）系統(tǒng)啟動(dòng)，檢測(cè)各工作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，控制各工作機(jī)構(gòu)處于初始位置。

2）合套。機(jī)械手1 和機(jī)械手2 分別抓取已選配好的一組軸承內(nèi)圈和外圈，先后放置到回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上指定工位合套，然后機(jī)械手歸位。

3）回轉(zhuǎn)工作臺(tái)伺服電機(jī)動(dòng)作，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。

4）裝球。計(jì)數(shù)器清零，滾道放下，鋼球傳送帶啟動(dòng)，和前道工序內(nèi)外圈匹配的一組鋼球以一定的速度和間隔沿著滾道滾下。滾道末端安裝有擋片，初始位置打在右邊，引導(dǎo)鋼球進(jìn)入軸承內(nèi)外圈左半邊的裝球位置。當(dāng)一半的鋼球（通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)，PLC計(jì)數(shù)）已經(jīng)滾入左邊分支滾道時(shí)，迅速將擋片打到左邊，引導(dǎo)鋼球進(jìn)入右半邊的裝球位置。裝球完畢，傳送帶停止運(yùn)行，滾道收起。

5）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

6）內(nèi)圈撥回中心位置。機(jī)械手3 下降到內(nèi)圈內(nèi)部后，徑向向外撥動(dòng)內(nèi)圈使之回到中心位置。然后機(jī)械手復(fù)位。

7）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

8）分球與安裝上半保持架。機(jī)械手5 抓取已裝好鋼球的軸承放置到分球工作臺(tái)上，松開(kāi)夾緊裝置即啟動(dòng)分球工作臺(tái)上的鋼球球窩托盤(pán)低速旋轉(zhuǎn)一周，使鋼球均勻落位分球。托盤(pán)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，機(jī)械手5 返回原位，機(jī)械手7 抓取一只上半保持架（定位在機(jī)械手的上凹模上），并移動(dòng)到托盤(pán)上方。托盤(pán)停轉(zhuǎn)后機(jī)械手7 將上保持架對(duì)位放好，然后機(jī)械手復(fù)位。

9）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

10）放下半保持架。機(jī)械手4 動(dòng)作，利用負(fù)壓抓取一只裝好鉚釘?shù)南卤３旨埽ㄣT釘頭在下，負(fù)壓防止鉚釘脫落），定位在機(jī)械手的上凸模上。然后放置到回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定位凹模上，鉚釘處于垂直狀態(tài)。機(jī)械手4 關(guān)閉負(fù)壓空氣閥，返回原位。

11）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

12）合架。機(jī)械手6 抓取分球工作臺(tái)上已裝好上保持架的軸承。利用機(jī)械手6 的上凹模將上保持架和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)下凹模上的下保持架利用模具對(duì)準(zhǔn)，鉚釘從上保持架的鉚釘孔中穿出。

13）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

14）鉚接。上沖頭的壓力來(lái)自主軸頂部的汽缸。打開(kāi)變向氣閥，壓縮空氣從上進(jìn)入汽缸推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)上沖頭壓向鉚釘桿而成形。完成鉚接后變向氣閥換向，壓縮空氣從汽缸底部進(jìn)入，推起活塞使上沖頭返回。

15）工作臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)90°。

16）成品。機(jī)械手8 將鉚接好的軸承抓取放置到成品檢測(cè)包裝流水線(xiàn)上。

3.2 初始化程序設(shè)計(jì)

如圖4 所示，主程序中根據(jù)用戶(hù)按下的是空載啟動(dòng)按鈕還是滿(mǎn)載啟動(dòng)按鈕，通過(guò)對(duì)一組計(jì)數(shù)器置數(shù)或清零來(lái)控制下面的八個(gè)裝配工序是依次啟動(dòng)運(yùn)行還是并行運(yùn)行。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，接近開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。滿(mǎn)載啟動(dòng)的時(shí)候由于各計(jì)數(shù)器初始值都已被賦予滿(mǎn)值，故下面的八個(gè)工序起始狀態(tài)都滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，處于并行運(yùn)行的狀態(tài)。空載啟動(dòng)時(shí)則各工序起始狀態(tài)依次被激活。

圖4 初始化程序

4 結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外軸承自動(dòng)裝配機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)原有的裝配生產(chǎn)情況，利用成熟的可編程控制器技術(shù)及伺服控制技術(shù)，對(duì)軸承自動(dòng)裝配機(jī)的電氣控制技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出裝配效率高、可靠性好并且操作方便的軸承自動(dòng)裝配機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，提高了裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。