基于PLC的桌面型全自動鎖螺絲機控制系統(tǒng)設計

覃羨烘 黃永程 楊斌

摘 要：本文從機械系統(tǒng)結構、控制系統(tǒng)硬件構建、控制系統(tǒng)軟件設計、報警系統(tǒng)、通信等方面，對桌面型全自動鎖螺絲機進行了詳細的介紹，對自主開發(fā)的自動鎖螺絲設備，設計了基于可編程控制器（PLC）的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了視覺定位、伺服驅動和可編程等技術。該設備參數(shù)調節(jié)方便、運行可靠、操作簡單，解決了自動化程度低的可題，節(jié)約了時間和勞動力，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

關鍵詞：PLC；桌面型全自動鎖螺絲機；控制系統(tǒng)；可編程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.004

1 前言

自動鎖螺絲機也叫自動送鎖螺絲機、自動擰螺絲機、自動螺絲機、自動打螺絲機、自動螺絲緊固系統(tǒng)等。目前現(xiàn)有的手持式自動送鎖螺絲機，雖然可以解放一只手出來，但仍然需一只手提起起子對準螺絲孔位鎖螺絲，人工對準孔需要很豐富的經(jīng)驗，也會產(chǎn)生一定的誤差；全自動送鎖螺絲機，雖然在手持式自動送鎖螺絲機自動送料基礎上又添加了機械臂或流水線、工作臺、自動控制定位等功能，是送鎖螺絲機的TOP產(chǎn)品，但是它結構復雜，成本比較高。所以，在制造成本和可編程方向有很大發(fā)展空間。本文針對這個問題，在原有的全自動送鎖螺絲機基礎上進行改裝，使用可編程控制器（PLC）來設計自動擰緊螺絲，節(jié)約人工成本又提高了生產(chǎn)效率。

2 全桌面型自動鎖螺機概述

自動鎖螺絲機在國內(nèi)外已得到廣泛應用，分為手握式、平臺走程序式、直鎖式、拔叉式、轉盤循環(huán)式等結構。目前在不少企業(yè)應用前景十分廣闊，主要應用于汽車零部件生產(chǎn)、電腦、顯示屏、電機、燈具、手機、打印機、電路板、電池、儀表等的自動組裝，可以大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高可靠性。

桌面型自動鎖螺絲機有以下一些優(yōu)缺點：由于其單人即可高效操作，一人相當于多人的效率，所以節(jié)省成本；其可靠性很好，一天可工作20小時以上；對于鎖同樣螺絲的產(chǎn)品，只需更換旋具，可鎖不同產(chǎn)品，通過簡單編程，通用性高；采用高精密度軌道設計，由機器作業(yè)，杜絕了人為因素帶來的不良影響，有著良好的穩(wěn)定性；具有漏鎖/浮鎖滑牙檢測功能，客戶可以選配；只要螺絲在規(guī)定的范圍內(nèi)可以通用；靈活性強，對于更換不同的產(chǎn)品，只需更換夾具和調用相對應程序組即可[1]。然而由于其自動化程度較高，同時也帶來了如扭力不當造成起子頭磨損、滑牙，軌道卡料、螺絲漏送或者一次送料過多的等問題。因此，螺絲機的設計及改進要著重解決這些實際問題。

桌面型可編程全自動鎖螺絲機，能完全解決了上述問題外，還解決了產(chǎn)品螺絲孔位高低不同沒法同時鎖螺絲的問題，批咀不會直接碰到產(chǎn)品表面，不會刮花產(chǎn)品。完全顛覆了傳統(tǒng)自動鎖螺絲機的工作原理以及解決了只能打同一個平面螺絲的問題，拋棄了振動盤及推料器，發(fā)揚了傳統(tǒng)自動鎖螺絲機的優(yōu)點，并克服了所有缺點，使得自動鎖螺絲機更輕便、安全、穩(wěn)定、快捷、低噪音、低能耗。

3 硬件設計

桌面型自動送鎖螺絲機在進行擰螺絲前需要將螺栓分離開來并輸送到指定位置，因此要先設計分料機構和下料機構。根據(jù)工藝要求，需要電動螺絲刀上下移動調節(jié)距離，以方便更換工件和調節(jié)不同工件間的誤差，因此需要一個氣缸來控制電動螺絲刀的上下移動。為了提高生產(chǎn)效率，需要夾具來給工件定位。為了降低返修率可以在螺栓傳動管間加傳感器來檢查是否有螺栓通過，如果有則可以進行下一步工作，如果沒有就需要將信號傳送給PLC，PLC通過分析計算給分料機構和下料機構的氣缸下達命令重新輸送螺栓。因此為了實現(xiàn)可編程全自動鎖螺絲機的自動功能，就必須有PLC、電控箱、控制器和控制面板。將分料機構、下料機構、PLC、控制面板和電動螺絲刀放在機架之上，把電控箱和控制裝置放在機架內(nèi)部，將整體機器立起來放，這樣既節(jié)省了空間又使得整個機器顯得緊湊、美觀。桌面型可編程全自動鎖螺絲機整機示意如下圖1所示。

桌面型可編程全自動鎖螺絲機需要外接氣管，通過送料系統(tǒng)、分配系統(tǒng)、鎖付系統(tǒng)、三軸平臺可編程系統(tǒng)四部分完成螺絲鎖付。所有動作完成均由設備本身程序控制。各系統(tǒng)部件均需要按照實際螺絲規(guī)格、待鎖付位置的角度和尺寸等實際情況定制，均為非標準化部件。鎖螺絲過程采用渦輪方式上料將螺絲排序到振動導軌上，并輸送到螺絲分配系統(tǒng)，通過分配系統(tǒng)分配螺絲并通過氣管壓力將螺絲送到鎖嘴，由電動螺絲批將螺絲鎖入產(chǎn)品。

桌面型可編程全自動鎖螺絲機鎖步驟：

本自動鎖螺絲機控制系統(tǒng)主要由PLC、CCD圖像傳感器定位[2]、1個伺服、4個氣缸等組成。其硬件組成，如圖2所示。通過分析自動鎖螺絲機的工藝流程，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，選擇三菱系列FX2N型模塊，采用1個PLC作為控制主機，有2個高速脈沖輸出點，通過輸出高速脈沖對伺服驅動器進行控制可以控制四個伺服，脈沖的頻率、沖數(shù)及加減速時間可以改變伺服電機的速度和位置。PLC與伺服之間通過RS485連接，進行MODBUS通信配置[3]，可快速讀寫伺服的通信數(shù)據(jù)。

4 軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計由PLC程序設計和人機界面程序設計兩部分組成[4]。本文以在工作面板上四角各打一個螺絲進行PLC程序設計為例。

PLC程序設計：PLC程序設計是核心，系統(tǒng)PLC程序由一個主程序和1個子程序組成。子程序是四個自動鎖螺絲定位控制程序。主程序是核心，負責系統(tǒng)初始化和CCD數(shù)據(jù)采集，負責系統(tǒng)子程序調用，負責與H1M的數(shù)據(jù)交換。

主程序：

PLC的I/O表如下表1所示。

本設計完全取代一個或多個員工工作，只需一個按鍵，機器按照事先編輯好的程序自動鎖完待鎖產(chǎn)品上同種規(guī)格的螺絲。員工只需要把裝配好的產(chǎn)品放上置具按下起動鍵就即可，而且定位精準，誤差±0.02mm。操作簡單，程序帶示教系統(tǒng)，編程時，只需要帶著機器把幾個螺絲孔的位置確定好，桌面型可編程自動鎖螺絲機可以自動學習記錄鎖螺絲過程，自動完成鎖螺絲的所有動作。從取料到螺絲鎖緊、產(chǎn)品輸出，全程不需要人工干預。不會因為手取螺絲時產(chǎn)生的污跡對產(chǎn)品產(chǎn)生二次污染及手出汗沾污螺絲使它更易生銹。設備有多重報警和防呆功能，避免螺絲漏鎖造成的產(chǎn)品不良，比人工鎖螺絲更加嚴謹，縝密。避免了人工著力輕重不一的現(xiàn)實，機器會按設定好的扭矩和和下壓力進行鎖付螺絲操作，產(chǎn)品一致性好。通用性強，對螺絲長短沒特殊要求，只要螺帽接近或略小就可以通用，如果螺絲差距太大，只需要更換批嘴和相應的供料系統(tǒng)就可以，大大提高了生產(chǎn)效率。

5 結語

本設備已成功用于實際生產(chǎn)。經(jīng)過運行觀察，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。應用PLC實現(xiàn)自動鎖螺絲控制系統(tǒng)的開發(fā)，能夠滿足桌面型全自動鎖螺絲機構和功能的要求，同時具有操作系統(tǒng)簡單，維護方便，精度高，通用性強，對工人低要求，低成本等優(yōu)點，產(chǎn)生了較大的社會效益和經(jīng)濟效益，具有較好的推廣價值。

參考文獻：

[1]何俊.多軸自動螺絲機的機械設計及控制系統(tǒng)研究[D].南京：東南大學，2012.

[2]王士紳，隋修寶，陳錢，顧國華.高速高清CCD自適應相關雙采樣技術[J].紅外與激光工程，2014，1（34）：155-159.

[3]胡文翔，蔡政，郭偉瑋等.面向RS485控制網(wǎng)絡的 Modbus協(xié)議擴展及應用[J].自動化儀表，2013：4（34）：59-62.

[4]廖常初.PLC編程及應用（第二版）S7-200[M].機械工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：覃羨烘（1983-），女，廣西平南人，工程碩士，講師，數(shù)控銑工高級技師，研究方向：機械工程。