基于S7-200 PLC 的散熱片自動化裝配的控制系統(tǒng)設(shè)計*

于復(fù)生，徐升明，杜桂林，時維康

(1.山東建筑大學(xué) 機電工程學(xué)院，濟南 250101;2.山東省高校機械工程創(chuàng)新技術(shù)重點實驗室，濟南250101)

0 引言

PLC 是一種方便開發(fā)與聯(lián)網(wǎng)且抗干擾能力強的可編程邏輯控制器件，在自動化生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用［1-5］，目前人們加大了在其自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，浙江工業(yè)大學(xué)的何洋基于PLC 和氣動的音圈自動裝配控制系統(tǒng)的研究［6］，湖南科技大學(xué)的楊書儀運用PLC 實現(xiàn)鋼板彈簧自動剪切生產(chǎn)線［7］，沈陽理工大學(xué)的汪建業(yè)設(shè)計的PLC 在多工位自動裝配機中的應(yīng)用［8］等。

散熱片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前企業(yè)對該工件的裝配還全部采用人工裝配，事故率高、造成眼睛疲勞等問題，不僅影響了它的生產(chǎn)率，還影響該工件裝配的質(zhì)量，針對散熱片在人工裝配當(dāng)中的種種問題和充分利用PLC 在自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的可靠性和靈活性，應(yīng)用S7-200 型PLC 設(shè)計了其自動化裝配的控制系統(tǒng)［9］。

1 自動裝配系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)及氣路設(shè)計

圖1 為散熱片自動化裝配主要設(shè)備，該設(shè)備的組成為:三支光電開關(guān)進行信號的采集，一臺散熱片專用振動盤和一臺機械手來完成散熱片的上料，鉆孔和攻絲電機來實現(xiàn)對散熱片的鉆孔和攻絲，一臺焊針專用振動盤和一臺機械手來完成焊針的的上料，一臺機械手和兩臺電機來實現(xiàn)焊針的夾緊，一臺機械手來完成對成品的正確下料，一臺機械手來完成碎屑的清理，一臺分割器來驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，各個工位在轉(zhuǎn)盤上的具體分配如圖2所示。該散熱片自動化裝配系統(tǒng)占地面積小、效率高。各機械手之間通過三通接頭相連，實現(xiàn)各個機械手之間的聯(lián)動，用PLC 實現(xiàn)一臺主控機械手的順序控制來帶動其它機械手的聯(lián)動，當(dāng)氣泵打開，各機械手處于初始預(yù)定位置，然后PLC 的順序控制帶動機械手的運動，其中一臺主控機械手的氣路原理如圖3 所示。

圖1 散熱片自動化裝配主要設(shè)備

圖2 工位在轉(zhuǎn)盤上分布圖

圖3 機械手的氣路原理

本散熱片自動化裝配系統(tǒng)中機械手的水平伸縮、豎直下降等動作的快慢的控制主要由節(jié)流閥控制氣缸的通氣量來實現(xiàn)，各個電磁閥的開關(guān)控制均由PLC 的程序按照具體的設(shè)定時間來控制，一個周期動作的時間有具體設(shè)定的要求，一個周期的動作時間控制在電機的間歇時間以內(nèi)，電機再一次的轉(zhuǎn)動又通過光電開關(guān)來重新啟動PLC，又一個周期的動作開始，控制系統(tǒng)的動作依次循環(huán)進行。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC 的選用及其I/O 定義表

根據(jù)系統(tǒng)的要求，共需要PLC 的輸入點數(shù)為四點，分別為系統(tǒng)的總開關(guān)(系統(tǒng)上電)、光電開關(guān)(程序的啟動開關(guān))、傳感器1 開關(guān)(檢測是否正常上料)、傳感器2 開關(guān)(檢測是否正常下料)，所需的輸出點數(shù)為七點，即:五對氣缸的電磁閥控制點、報警燈的開關(guān)、吸屑裝置的電磁閥控制開關(guān)。

根據(jù)控制要求選用 PLC 的是 S7-200 系列CPU224XP 型，該PLC 有14 個輸入點，10 個輸出點可以滿足所涉及控制系統(tǒng)對PLC I/O 點數(shù)的要求，PLC的輸入輸出地址分配分別如表1 和表2 所示。

表1 輸入控制信號地址分配

表2 輸出信號控制地址分配

機械手控制系統(tǒng)的PLC 接線圖如圖4 所示。PLC的各輸入、輸出口的功能按照表1、表2 分配。其中Q0.0～Q0.5 以及Q0.7 輸出端口通過控制繼電器來控制電磁閥。

圖4 控制系統(tǒng)接線圖

2.2 電機的選用及電路設(shè)計

根據(jù)夾緊焊針機構(gòu)的要求采用單片機控制的兩個相同的大扭矩減速步進電機，當(dāng)觸發(fā)光電開關(guān)時，電機的轉(zhuǎn)動帶動兩個偏心輪的轉(zhuǎn)動，偏心輪將焊針沿著夾具的槽推進散熱片內(nèi)，電機轉(zhuǎn)動的方向和時間的控制，都由單片機來控制。單片機控制電機的驅(qū)動電路圖如圖5 所示。

圖5 步進電機驅(qū)動的電路圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)PLC 程序使用STEP7V5.0 編寫，實現(xiàn)對整個裝配系統(tǒng)的控制和過程數(shù)據(jù)初步處理。編寫的程序分為手動程序和自動程序。手動程序主要在安裝調(diào)試和設(shè)備檢修過程中使用，自動程序可以使整個系統(tǒng)流暢運行。根據(jù)條件的要求，通過PLC 可以實現(xiàn)對整個裝配過程的自動控制，總開關(guān)的啟動給整個系統(tǒng)上電，上電后電機轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一個工位就觸發(fā)一次光電開關(guān)，光電開關(guān)將信號傳給PLC，PLC 控制機械手完成一系列順序動作，工位1 和工位6 將散熱片和焊針由振動盤運送到設(shè)定位置，鉆孔電機和攻絲電機進行散熱片的鉆孔和攻絲，工位5 的機械手將兩臺夾緊電機置于夾具表面，電機轉(zhuǎn)動同時帶動偏心輪將焊針擠壓進散熱片，工位6 的機械手實現(xiàn)將成品從夾具內(nèi)取出，工位7 負責(zé)吸走鉆孔和攻絲產(chǎn)生的碎屑，一個周期的所有動作完成，電機再次轉(zhuǎn)動，使PLC 進入下一個順序控制，依次循環(huán)。該系統(tǒng)具體的動作流程如圖6 所示。

圖6 散熱片自動化裝配系統(tǒng)的動作流程圖

梯形圖程序根據(jù)PLC 的I/O 地址進行分配設(shè)計，采用自鎖電路將光電開關(guān)采集的信號進行保持，采用位存儲器(M)保持轉(zhuǎn)換狀態(tài)，使用接通延時定時器來控制機械手動作的時間，使用置位和復(fù)位開關(guān)來控制電磁閥的開關(guān)，PLC 程序的主要部分如圖7 所示。

圖7 機械手主程序片段

4 結(jié)論

通過利用PLC 對該散熱片自動化裝配系統(tǒng)實現(xiàn)了控制。經(jīng)過嚴格的選型，合理的硬件配置和完善的程序設(shè)計，并且利用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)了對各個工位機械手的精確定位，使得該系統(tǒng)整體布局合理，可靠性高，穩(wěn)定性好，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)過改進還可以應(yīng)用到其他生產(chǎn)線的控制。

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