基于PLC控制的齒輪抓取翻轉裝置設計

車 娟

（蘇州健雄職業技術學院，江蘇蘇州 215411）

0 引言

機械設備的開發與研究一直是工業領域比較重要的部分，其中氣動機械手是我國工業機械手中普遍采用的一種機械手類型，是工業領域機械設備的重要組成部分，代替了多種枯燥且繁重的人力勞動，具有結構簡單、價格低廉以及可靠性高等特點[1]。

根據ISO 6336-5∶2016標準要求，企業生產的齒輪需要在發貨前對尺寸和性能進行檢測，以保證發貨產品質量合格。依據企業TC03業務單元的生產流程規范，需要在終檢線相鄰的檢測工站間設計制造一套齒輪抓取翻轉裝置來實現工站間的產品移動，以此代替人工勞動力。經市場調研發現，目前市場上應用于小型檢測機構的自動化控制搬運移動機構較少，多以機械手為主，使用機械手需要較大的空間，難以適用于檢測機構之間的產品移動，且初期組建成本高，后期保養維修復雜，價格也較高。因此，結合企業生產實際，設計一套使用PLC控制氣缸來實現齒輪產品升降、轉動和翻轉的裝置是比較理想的解決辦法。

1 齒輪抓取翻轉裝置整體設計

1.1 齒輪終檢線工作流程

該齒輪終檢線主要實現齒輪的嚙合檢測和高度檢測，齒輪終檢線的布局如圖1所示。

圖1 齒輪終檢線布局圖

其工作流程如下：

（1）工人將裝有待檢品的Tray盤放入傳送帶1，由機械手1將待檢品按順序抓取放到齒嚙合檢測站等待工裝上；

（2）由機械手2抓取等待工裝上的待檢品放置到齒嚙合檢測工裝上進行齒嚙合檢測，檢測完畢后再夾取待檢品放至暫存站；

（3）齒輪抓取翻轉裝置將暫存站的待檢品放置到高度檢測工裝上進行高度檢測，檢測完畢后將產品放置在機械手3的夾取工位進行180°翻轉；

（4）機械手3將檢測合格的產品抓取放置到傳送帶2上的Tray盤內，將檢測不合格的產品放置到不合格產品傳送帶上。

1.2 齒輪抓取翻轉裝置結構組成

齒輪抓取翻轉裝置抓取的齒輪產品重量為194.17 g，需要將產品從暫存站夾取放置到高度檢測工裝上，高度檢測完成后需要將產品夾取翻轉并搬運到機械手3的夾取位，要實現3個位置間的兩次搬運，所以本裝置需要設置兩個夾爪，夾爪1用于夾取暫存站上的產品，夾爪2用于夾取高度檢測工裝上的產品。裝置結構簡圖如圖2所示。

圖2 齒輪抓取翻轉裝置結構簡圖

2 齒輪抓取翻轉裝置控制系統設計

2.1 控制系統設計方案

在齒輪抓取翻轉裝置控制系統中，PLC作為主控元件，接收暫存站信號、高度檢測信號和機械手3抓取信號，對齒輪抓取翻轉裝置進行順序控制。通過此控制單元，能夠實現齒輪待檢品夾取、轉移、翻轉的功能，實現了齒輪檢測自動化，保證了終檢線生產的穩定性，提高了產品的生產效率，降低了勞動力成本。圖3為齒輪抓取翻轉裝置控制系統的組成。

圖3 控制系統的組成

2.2 控制系統主要硬件選型

2.2.1 PLC選型

結合終檢線現有控制系統硬件情況，選擇西門子CPU 1511F-1 PN PLC對齒輪抓取翻轉裝置進行控制。西門子CPU 1511F-1 PN型PLC具有速度快、容量大、性能高、功能全等特點。該型號的PLC的分布式外圍設備通過PROFINET或PROFIBUS通信模塊連接在一起，形成的系統滿足了齒輪抓取翻轉裝置控制系統所需的輸入/輸出量要求。

2.2.2 氣缸選型

（1）選用的旋轉氣缸是SCHUNK RM 200-W90-1。該氣缸是市場上常見的一款氣缸，旋轉角度為90°，具有運行穩定、精度高、體積小等特點。

（2）選用的升降氣缸是FESTO DGST-12-50滑臺式氣缸，配有集成的液壓緩沖器和傳感器支架以及集成的基本緩沖。滑臺和連接板是一體式組件，能提供極佳的抗扭剛度和精度。

（3）選用的夾爪氣缸是SCHUNK PGN+50-1-AS配合兩個BSWS-B 50快換系統。夾爪快換系統由快換系統底座和夾爪接口組成，夾爪固定在夾爪接口上，夾爪接口為標準件，可連接不同的夾爪，為今后生產線擴充產品型號提供便利。

（4）選用的翻轉氣缸是FSESTO DRRD-16-180-FH-Y9A。該氣缸是基于齒輪齒條的雙活塞擺動氣缸，通過齒輪齒條原理實現動力傳輸，末端位置處的精度極高，在法蘭軸上的端跳非常好。

2.2.3 傳感器選型

該裝置選擇BALLUFF 電感式標準傳感器BES00HC用于旋轉氣缸的位置檢測，選擇FESTO接近開關SMT-10M-PS-24V-E-0，3-L-M8D用于FESTO DGST-12-50升降氣缸的位置檢測，選擇FESTO接近開關SMT-8M-A-PS-24V-E-0，3-M8D用于翻轉氣缸的位置檢測。

2.3 I/O分配

分析控制系統的功能需求可知，齒輪抓取翻轉裝置控制系統的輸入信號主要包括暫存站的通知信號、高度檢測站檢測結束信號、機械手3產品夾取信號、旋轉氣缸原點位置和工作位置信號、升降原點位置和工作位置信號以及翻轉氣缸原點位置和工作位置信號。輸出信號主要是通知旋轉氣缸、升降氣缸、翻轉氣缸、夾爪1氣缸和夾爪2氣缸動作，所以PLC需要13個輸入點和10個輸出點。PLC輸入/輸出點分配如表1所示。

表1 PLC控制系統I/O地址分配表

2.4 PLC控制流程

PLC控制系統需要確保裝置升降動作、旋轉動作和翻轉動作分步進行，不同時動作，在運動過程中不發生碰撞。夾爪1能準確夾取且夾緊暫存站上的齒輪準確送至高度檢測站的工裝位置；夾爪2能準確夾取且夾緊高度檢測工裝上的齒輪準確送至機械手3夾取工位，并將齒輪翻轉180°等待機械手3夾住齒輪，再松開夾爪；待機械手3離開后，將夾爪翻轉回位。PLC控制流程如圖4所示[2]。

圖4 PLC控制流程圖

企業生產線自動化程序主要使用STL編程語言，所以該裝置控制系統中采用TIA Port-al V16編程軟件，該軟件增強了對SIMATIC S7-1500的支持，支持用戶使用LAD、FBD、STL、SCL編程語言，是西門子打造的全集成自動化編程軟件，可用于PLC編程及仿真檢驗。圖5展示了裝置處于初始位置，當暫存站有產品，高度檢測站檢測完畢，A軸、Z軸、U軸均在原點位，夾爪處于張開狀態，Z軸上升運動至工作位的部分控制程序片段[3]。

圖5 PLC控制程序片段

3 結束語

在企業齒輪生產線和組裝線上，齒輪翻轉裝置應用廣泛。在加工或表面處理齒輪時，通常需要將其翻轉到另一面進行切削、磨削或涂層等。在檢測齒輪時，需要抓取齒輪到合適的位置，并精確地翻轉進行尺寸檢測、外觀檢查、性能檢測。當需要組裝多個齒輪時，齒輪抓取翻轉裝置可幫助操作者將齒輪定位至正確位置，從而快速完成組裝。該裝置不僅占用空間小，還能減少勞動力浪費，縮短檢測機構之間搬運移動時間，提高生產效率，性能可靠，組建成本較低，結構簡單，易于保養維護，降低了報廢率。若后期有產品型號增加，也易于改裝，擴充兼容性。但是該齒輪抓取翻轉裝置并未實現完全自動化，如果裝置出現卡料、撞擊等情況，還需要技術員進行解報警及重新運行處理，后續還可增加觸摸屏負責系統的參數設置、狀態和報警信息顯示以及控制調試等。