YL-335B自動線裝配單元創(chuàng)新設計與實現(xiàn)

李志梅 周圣林 趙振魯

YL-335B自動線裝配單元創(chuàng)新設計與實現(xiàn)

李志梅1周圣林1趙振魯2

（1.沙洲職業(yè)工學院，江蘇 張家港 215600；2.亞龍智能裝備集團股份有限公司，浙江 溫州 325000）

在不改變原有工作站功能的基礎上，推出一種全新結構及控制驅動方式的工作站——裝配單元Ⅱ。在機械結構上，改變原來裝配單元的氣動擺臺結構，新裝配單元Ⅱ采用步進電機＋減速機驅動，裝配工位由原來的1個擴至4個，待裝配工件能流水線般依次裝配，能為自動線整機提供更為靈活多樣的實訓擴展；在控制系統(tǒng)上，新裝配單元Ⅱ的控制器從原來的S7-200 PLC升級為S7-200 SMART PLC，可與其他同類控制器單元進行以太網組網，更順應工業(yè)自動線發(fā)展趨勢。

自動線；裝配單元；SMART PLC；步進電機

引言

亞龍YL-335B型自動化生產線作為全國職業(yè)院校技能大賽指定設備，能高度仿真模擬現(xiàn)代生產線實際生產控制過程[1][2]。系統(tǒng)是在鋁合金導軌式實訓臺上安裝：供料、加工、裝配、傳輸和分揀5個工作單元。其中，裝配單元主要用于將兩個分散的物料進行裝配[3][4]。原裝配單元采用擺動氣缸實現(xiàn)芯件轉移，在不改變物料配送和裝配工藝的前提下，基于步進電機與S7-200 SMART PLC，創(chuàng)新設計一種新型裝配單元Ⅱ。一是擴展待裝配工位，使自動線整機獲得更為靈活的實訓項目；二是彌補自動線整機沒有步進電機，學生在此設備上接觸不到步進驅動知識的缺憾；三是升級控制器，可與其他同控制器工作單元進行以太網組網[5][6][7]。

1 機械結構設計

新型裝配單元Ⅱ主要由落料機構、旋轉裝配機構組成（如圖1所示）。落料機構主要由管型料倉、頂料與擋料氣缸、電磁閥組、型材托架等組成；旋轉裝配機構主要由旋轉料盤、固定盤、減速機-步進電機組件等組成。其中，固定盤被安裝在型材支架上，減速機-步進電機組件通過減速機前端法蘭盤與固定盤螺紋連接。旋轉料盤8個中心孔與減速機輸出軸8個螺紋孔用螺紋連接。這樣，步進電機輸出動力由減速機減速后即傳遞到旋轉料盤上。

旋轉裝配機構工作過程：（1）旋轉料盤回原點（如圖2所示），通過安裝在固定盤上的松下PM-L25 U型光電傳感器檢測到旋轉料盤下方安裝的T型擋塊實現(xiàn)。回零完畢后，旋轉料盤刻度線與固定盤刻度線對齊。（2）輸送單元送來的半成品工件放進前入料裝配臺1中。入料檢測傳感器檢測到來料后，步進電機驅動旋轉料盤旋轉180°至落料機構正下方，由落料機構完成小圓柱芯件的落料，從而完成小圓柱芯件與半成品工件精準的裝配動作。裝配完畢后，裝配臺1載著已裝配好的工件再旋轉回初始位置，等待輸送單元抓取移送到其他工作單元。

圖1 裝配單元Ⅱ

圖2 原點檢測及校準線

落料機構工作過程：小圓柱芯件預置于落料機構管型料倉內，當系統(tǒng)氣源接通后，頂料氣缸初始位置處于縮回狀態(tài)，擋料氣缸初始位置處于伸出狀態(tài)。當需進行落料時，頂料氣缸伸出，頂緊次下層芯件，擋料氣缸縮回，下層芯件由于重力得以落下，從而實現(xiàn)落料，然后兩氣缸復位，完成落料控制。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 硬件選型

隨著產品的更新?lián)Q代，西門子S7-200 PLC逐漸會被S7-200 SMART PLC所替代[8]?？紤]有高速脈沖輸出的需求，兼顧I/O實際需要點數(shù)，本系統(tǒng)控制器選用CPU ST40。該CPU模塊本體輸出端Q0.0，Q0.1，Q0.3可提供3軸20 Hz～100 kHz高速脈沖輸出，Q0.2，Q0.7和Q1.0分別為其方向控制端[9][10]。

步進電機由于具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領域的主要執(zhí)行元件之一[11]。根據驅動機械結構確定運動曲線，計算負荷轉矩、負荷慣量、啟動轉矩等，最終選用Kinco的3S57Q-04056步進電機及配套3M458驅動器。步進電機部分技術參數(shù)如表1所示。

表1 3S57Q-04056部分技術參數(shù)

2.2 PLC的I/O分配

CPU ST40共有24輸入點，16輸出點。本系統(tǒng)實際分配使用如表2所示，其中輸入點主要用于裝置側傳感器檢測信號，以及按鈕指示燈模塊的主令信號的采集；輸出點主要用于步進電機脈沖/方向信號、頂料及擋料電磁閥的驅動信號，以及按鈕指示燈模塊上的狀態(tài)指示燈等。

表2 PLC的I/O信號分配表

2.3 步進電機驅動接線

根據技術資料[12]，設計CPU ST40與步進驅動器的硬件接線如圖3所示。采用ST40的Q0.0端子作為脈沖控制信號，Q0.2端子作為方向控制信號，分別連接至步進電機驅動器Kinco 3M458的PLS+和DIR+端子。步進電機3S57Q-04056三相繞組的六根引出線，分別為紅、銀白、藍、白、黃、綠色，按首尾相連的原則連接成三角形后，三根引出線分別連接至驅動器的W、V、U端子[13]，如圖4所示。

圖3 步進驅動與ST40接線圖

圖4 3S57Q-04056的接線

步進驅動參數(shù)設置如表3所示。步進電機3S57Q-04056額定相電流5.6 A，實際使用時應比額定低一些，故設置為5.2 A。為減少電機和驅動器的發(fā)熱，可設定靜態(tài)電流半流，即DIP4為OFF。

表3 DIP開關設置

3 PLC程序設計

3.1 程序結構設計

控制程序結構：主程序MAIN調用3個一級子程序“初始化”、“旋轉控制”及“狀態(tài)顯示”，其中“旋轉控制”子程序又二級調用“落料控制”子程序。

主程序MAIN主要完成系統(tǒng)啟停等主流程控制，包括欠缺料等狀態(tài)檢測、系統(tǒng)是否準備就緒檢查、子程序的調用以及系統(tǒng)啟動/停止等操作。子程序“初始化”主要完成系統(tǒng)的復位，即旋轉料盤回原點。子程序“旋轉控制+落料控制”主要完成裝配工藝過程的步進順序控制。其中，料盤旋轉控制以及落料控制子程序流程設計如圖5和圖6所示。

3.2 運動控制向導組態(tài)

SMART CPU采用“運動”向導生成子例程實現(xiàn)PTO脈沖輸出[14]，以控制步進電機。在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件中，雙擊“工具”菜單下面的“運動”選項卡，打開運動控制向導[11]，組態(tài)運動軸軸0：

（1）測量系統(tǒng)：選擇“相對脈沖”。

（2）方向控制：相位選擇“單相2輸出”，極性選擇“正”。

（3）輸入RPS（參考點）：勾選“已啟用”，輸入選擇“I0.0”，有限電平“上限”。

（4）電機速度：MAX_SPEED設為“100000”個脈沖/s，SS_SPEED設為“5000”個脈沖/s。根據3S57Q-04056/3M458矩頻曲線圖[9]，在扭矩范圍內選擇系統(tǒng)最大速度MAX_SPEED。啟/停速度按MAX_SPEED的5%-15%選擇。

（5）電機時間：ACCEL_TIME設為1 000 ms，DECEL_TIME設為50 ms。

（6）參考點：RP_FAST設為5 000 Pulse/s，RP_SLOW設為500 Pulse/s，RP_SEEK_DIR設為“負”，RP_APPR_DIR設為“正”，偏移量RP_OFFSET設為“0.0”度，參考點搜索順序選方式“2”。

圖5 旋轉子程序流程

圖6 落料子程序流程

此外，存儲器分配采用系統(tǒng)自動建議VB93-VB185。組件中子例程選擇三個：AXIS0_CTRL啟用和初始化運動軸，每當程序掃描時都調用；AXIS0_GOTO命令運動軸按指定速度運行到指定位置；AXIS0_RSEEK用于查找參考點位置。

3.3 步進電機旋轉脈沖數(shù)計算

步進電機經過減速機減速后，驅動旋轉料盤旋轉。裝配站Ⅱ中選用SKISIA（歐得克）的圓法蘭盤式行星齒輪減速機，該減速機減速比為7[15]。旋轉料盤的旋轉角度、PLC輸出的脈沖數(shù)以及步進電機細分數(shù)三者之間關系如下：

由式（1）和式（2）可得：

上述各式中：P表示PLC輸出的脈沖數(shù)；表示步進電機旋轉角度；表示步進細分數(shù)；表示減速機的減速比，R表示旋轉料盤的旋轉角度。

根據式（3），旋轉料盤若旋轉180°，當步進細分數(shù)為5 000時，PLC輸出的脈沖數(shù)應為175 000。

3.4 PLC程序編寫

系統(tǒng)主程序中啟用和初始化運動軸部分編程要點見圖7，運動軸回原點子程序見圖8。其中，初始化子程序執(zhí)行結果須返回給調用它的POU，即主程序。所以，在子程序里需定義輸出參數(shù)型局部變量（如圖9所示）。在局部變量表中定義該局部變量時，只需指定變量類型和數(shù)據類型，不需指定存儲器地址，存儲器地址是由程序編輯器自動分配。后面的落料控制子程序同樣如此。

圖7 啟用和初始化運動軸

圖8 初始化子程序

料盤旋轉子程序中控制運動軸旋轉180°編程要點如圖10所示，料盤旋轉子程序調用落料子程序如圖11所示。

圖9 初始化子程序局部變量定義

3.5 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)實際調試運行時，初始化子程序通過運動軸回原點指令驅動轉盤機構回零。回零完畢，經過一定的延時，可以看到，子程序輸出參數(shù)done位為1。

此外，急停功能是通過在AXIS0_CTRL的MOD_EN參數(shù)輸入處以及“旋轉控制”子程序的調用EN處，兩處均串接急停開關I2.2接點實現(xiàn)。所以按下急停時，能夠實現(xiàn)緊急情況停止。

圖10 料盤旋轉180°

圖11 落料子程序調用

注意一點：下料工作完成后，需考慮有一段時間的延時，然后再使子程序輸出參數(shù)“落料完成”為1，以確保芯件落到位后，轉盤再順時針旋轉。否則容易出現(xiàn)芯件還沒落到位，轉盤即旋轉，從而造成旋轉盤與固定盤之間的卡料現(xiàn)象。

4 結語

新裝配單元Ⅱ可使整臺生產線具有更靈活開放的控制結構。旋轉裝配機構中的旋轉料盤擴至4工位，待裝配工件可流水線般依次裝配，配置合適供料與輸送單元，可為整機提供更為靈活多樣的訓練項目。原有分揀單元三相異步電機、輸送單元的伺服電機、加之新裝配單元Ⅱ的步進電機，能夠促進學生多電機驅動控制理論與實踐的深入學習。

[1] 張同蘇. 自動化生產線安裝與調試實訓和備賽指導[M]. 北京: 高等教育出版社, 2017: 2-3.

[2] 呂景泉. 自動化生產線安裝與調試[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2008: 103-115.

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Innovative Design and Implementation of Assembly Unit of YL-335B Automatic Line

Li Zhimei1, Zhou Shenglin1, Zhao Zhenlu2

( 1.Shazhou Professional Institute of Technology, Zhangjiagang 215600,China; 2.Yalong Intelligent Equipment Group co.,LTD.,Wenzhou 325000,China )

For YL-335B automatic assembly function, a new type of assembly unit Ⅱ has been proposed and implemented in this paper. Comparisons with the original: 1. Innovative changes are made to the traditional structure, replacing the original pneumatic swing table with stepper motor-reducer drive; 2. The assembly station of rotary plate is expanded from 1 to 4, so the workpiece can be assembled successively, providing a flexible and diverse training projects for the whole automatic line; 3. The controller is upgraded from the original s7-200 PLC to s7-200 SMART PLC, and Ethernet networking can be conducted with other controller units.

automatic line; assembly unit; SMART PLC; stepper motor

文獻標識碼：A 文章編號：1009－8429(2019)02－0009－07

2019-05-17

2016年江蘇省教育廳高?！扒嗨{工程”資助項目（蘇教師〔2016〕15號）；2018年江蘇高校“青藍工程”優(yōu)秀教學團隊“機電一體化技術專業(yè)教學團隊”項目。

李志梅（1979－），女，沙洲職業(yè)工學院機電工程系副教授；

周圣林（1996－），男，沙洲職業(yè)工學院機電工程系2016級機制專業(yè)學生；

趙振魯（1989－），男，亞龍智能裝備集團股份有限公司工程師，東盟技能大賽工業(yè)自動化項目專家組成員。