基于PLC的腳輪軸承自動(dòng)裝配機(jī)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹凌鵬，殷小亮，鄧玉娟，鄭麗文，張新星

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314000）

腳輪在工業(yè)搬運(yùn)、醫(yī)療器械及日常生活中應(yīng)用廣泛，據(jù)《2017—2023年中國腳輪行業(yè)產(chǎn)銷態(tài)勢(shì)及調(diào)查報(bào)告》顯示，2016—2017年我國腳輪行業(yè)需求量約81.92億個(gè)，行業(yè)銷售市場規(guī)模約241.63億元，同比（181.82億元）增長了32.9%[1]。腳輪行業(yè)市場需求在不斷增大，但是目前腳輪生產(chǎn)大多采用手工或半自動(dòng)化的組裝方式，特別是腳輪中心軸承的裝配過程最為繁瑣，需要使用相應(yīng)的工具進(jìn)行人工組裝，效率低[2]。因此，設(shè)計(jì)了一種新型腳輪軸承自動(dòng)裝配設(shè)備，以代替人工完成軸承裝配，包括自動(dòng)入料、裝配、出料的整個(gè)工藝過程。

1 腳輪結(jié)構(gòu)及腳輪軸承

腳輪包括活動(dòng)型腳輪和固定型腳輪2種，主要由支架和單輪構(gòu)成（圖1）。單輪裝在支架上，支架上預(yù)留有若干安裝孔，通過螺釘?shù)仁怪Ъ芘c設(shè)備相連接，腳輪通常安裝在設(shè)備底部，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的靈活移動(dòng)。

圖1 腳輪結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of caster

腳輪軸承（圖2）安裝于單輪的軸承孔中，軸承與軸承座為過盈配合。一個(gè)單輪的軸承孔中可安裝2套并列的軸承。內(nèi)圈為軸狀，2套軸承通常用擠壓的方式從兩側(cè)壓入單輪中心孔中，軸承裝入后兩內(nèi)圈正好相抵，以防止腳輪工作時(shí)軸承偏斜。

圖2 腳輪軸承剖面圖Fig.2 Profile of caster bearing

2 自動(dòng)裝配機(jī)硬件

2.1 裝配機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的軸承自動(dòng)裝配機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由單輪送料機(jī)構(gòu)、軸承送料機(jī)構(gòu)及安裝機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成。單輪送料機(jī)構(gòu)主要將單輪送入安裝位，通過振動(dòng)盤將待安裝單輪送入單輪導(dǎo)軌，傳感器檢測安裝位有無單輪存在，如果沒有，則由氣缸控制單輪進(jìn)入單輪安裝位。軸承送料機(jī)構(gòu)為對(duì)稱的兩部分，每部分分別輸送一套軸承進(jìn)入安裝位，傳感器檢測軸承安裝位有無軸承存在，如果沒有，則由氣缸控制軸承進(jìn)入軸承安裝位。軸承和單輪都到達(dá)預(yù)置位置后，驅(qū)動(dòng)同步液壓缸將軸承壓入單輪軸承座內(nèi)。待液壓缸縮回桿到位后，氣缸將安裝完成的單輪從單輪安裝位推出，單輪軸承安裝完成，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖3 軸承自動(dòng)裝配機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of automatic assembly machine for bearing

2.2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需要，設(shè)計(jì)裝配機(jī)控制系統(tǒng)硬件如圖4所示。設(shè)計(jì)PLC的輸入點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)，包括液壓缸動(dòng)作限位開關(guān)（4點(diǎn)）、有無軸承供料檢測（2點(diǎn)）、有無單輪供料檢測（1點(diǎn)）、軸承及單輪安裝位檢測（3點(diǎn)）、氣缸動(dòng)作限位（6點(diǎn)）、系統(tǒng)開關(guān)（2點(diǎn)）；設(shè)計(jì)PLC的輸出點(diǎn)數(shù)為11點(diǎn)，包括振動(dòng)盤控制（2點(diǎn)）、液壓缸的電磁閥控制（2點(diǎn)）、物料控制氣缸電磁閥控制（6點(diǎn)）、推單輪氣缸電磁閥控制（1點(diǎn)）。

圖4 裝配機(jī)控制系統(tǒng)硬件Fig.4 Hardware of control system for assembly machine

控制器選用S7－200系列CPU226XP CN機(jī)型，該P(yáng)LC的I／O點(diǎn)分配為18輸入、11輸出，可以滿足所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的要求[3]。PLC的輸入、輸出分配見表1。

表1 輸入、輸出控制信號(hào)地址分配Tab.1 Address allocation of input and output control signals

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過PLC實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測及動(dòng)作控制，自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)流程如圖5所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，單輪及軸承供料振動(dòng)盤同時(shí)開始振動(dòng)、輸送物料，當(dāng)物料輸送至檢測位置時(shí)，檢測傳感器產(chǎn)生信號(hào)，PLC控制振動(dòng)盤停止輸送物料，完成送料動(dòng)作，若物料缺少，檢測傳感器產(chǎn)生信號(hào)，PLC控制振動(dòng)盤繼續(xù)送料。同時(shí)，通過2個(gè)氣缸控制單個(gè)物料進(jìn)入安裝位，單輪輸送軌道中，前一個(gè)氣缸推出用于擋住單輪，防止多個(gè)單輪進(jìn)入安裝位，待后一個(gè)氣缸阻擋住后續(xù)單輪后，前一個(gè)氣缸才縮回，讓單個(gè)單輪進(jìn)入安裝位；軸承送料設(shè)計(jì)思路相同。單輪進(jìn)入安裝位后，檢測傳感器（光電開關(guān)）產(chǎn)生信號(hào)，軸承進(jìn)入2個(gè)安裝位后，檢測傳感器（電感式接近開關(guān)）產(chǎn)生信號(hào)，PLC同時(shí)接收到安裝位的3個(gè)信號(hào)后，控制液壓缸推出到位，將軸承壓入單輪中心孔，液壓缸縮回到位后，單輪安裝位下方的氣缸推出，將安裝完成的單輪推出安裝位，軸承安裝過程完成[4－5]。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of control system

工作中，若送料5 min以上軌道物料檢測傳感器還未檢測到物料，PLC將控制報(bào)警信號(hào)燈報(bào)警缺料；PLC在控制液壓缸推出之前須保證單輪安裝位的傳感器和2套軸承安裝位的傳感器都有信號(hào)，否則不執(zhí)行裝配操作；裝配完成的單輪被推出安裝位2 s后，PLC將控制物料進(jìn)入安裝位；按下停止按鈕，系統(tǒng)停止。

PLC控制程序按照I／O地址分配進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用中間繼電器（M）來保存中間狀態(tài)，通過傳感器信號(hào)來回饋動(dòng)作的執(zhí)行情況，通過上升沿觸發(fā)信號(hào)來傳遞狀態(tài)。PLC主程序根據(jù)程序流程圖設(shè)計(jì)，主程序部分片段如圖6所示。

圖6 PLC梯形圖主程序片段Fig.6 Ladder diagram of PLC main program fragment

4 結(jié)束語

針對(duì)腳輪中軸承安裝工序設(shè)計(jì)了腳輪軸承自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，并基于西門子PLC設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。該軸承自動(dòng)裝配機(jī)經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，效果良好，已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。解決了原來需要人工操作安裝的過程，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝的自動(dòng)化，效率提高70%以上，大大節(jié)約了人力成本，而且自動(dòng)裝配機(jī)成本低，可推廣性強(qiáng)，對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)腳輪全自動(dòng)裝配具有一定的實(shí)際意義。