基于三菱PLC的接線端子裝配機的控制系統(tǒng)設計*

劉涵茜

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

由于人工勞動力短缺問題日益明顯，因此開發(fā)接線端子全自動組裝機已經成為小型外加工服務商的迫切需求。雖然接線端子組裝機都是小批量定制化產品，但是隨著家電市場的持續(xù)繁榮，開發(fā)接線端子裝配機仍然存在很大的市場空間。目前市場上接線端子種類繁多，根據(jù)使用場合的不同，各個廠家要求不一樣，設計形狀也大不相同，難以標準化，因此市場上該類型的自動化設備都是小批量定制化生產。本文所設計的接線端子裝配機專用于格力電器的接線端子，該設備需具有以下幾個特點：①投入少，產量高，并且控制系統(tǒng)簡單，保護功能齊全；②大量采用標準件，保證設備的運行穩(wěn)定，并且后期的維護簡單快捷；③接線端子待裝配零部件較多，但要求設備裝配單元少，動作流程簡單。

1 接線端子裝配機的結構和功能

接線端子裝配機主要包括進料單元、植入螺母單元、插入墊片單元、鎖螺絲單元、插定位銷單元和出料單元6個部分。單元加工順序由順時針方向依次裝配：進料—植入螺母—插入墊片—擰螺絲—插定位銷—出料，每個零部件的供料都采用了振動盤排列。接線端子裝配機整體結構如圖1所示。

圖1 接線端子裝配機整體結構

為提高加工效率，接線端子裝配機采用了六工位圓盤順序裝配，可以實現(xiàn)多工位同時動作、加工，如圖2所示。六工位圓盤單元通過PLC控制步進電機來實現(xiàn)精準定位。設計機械結構時，考慮到該圓盤單元需要高度精準定位，因此凸輪分割器分為兩個軸，一個軸由主軸電機帶動，實現(xiàn)轉動相應的角度，帶動轉盤旋轉；另一個軸用于高速計數(shù)，相當于編碼器的功能。

1.1 植入螺母單元

螺母植入單元主要由旋轉氣缸、升降氣缸、真空吸頭和旋轉臂等部分組成，如圖3所示。當光纖傳感器檢測到直線送料器最前端有工件時，振動盤停止振動，傳感器傳遞取料信號，這時根據(jù)前后光纖傳感器來判斷旋轉升降機構如何動作，要實現(xiàn)的目標是使前真空吸頭有工件，后真空吸頭沒有工件。前真空吸頭用于放置工件到圓盤單元上，后真空吸頭用于抓取工件，當升降氣缸執(zhí)行回縮到位時，兩邊的真空吸頭一個執(zhí)行吹氣，另一個執(zhí)行進氣。通過旋轉升降機構交替抓放工件，實現(xiàn)高效運行。

1-圓盤；2-凸輪跟隨；3-凸輪隨動器；4-主軸電機及減速器；5-凸輪分割器；6-同步輪

1.2 插定位銷單元

圖4為插定位銷單元。定位銷由振動盤供料，當插定位銷單元發(fā)出請求裝配信號，振動盤會通過氣管連接螺絲機夾嘴，通過氣吹的方式將定位銷送到螺絲機夾嘴處，此時送料氣缸執(zhí)行下壓，下壓元件在送料氣缸力的作用下會將螺絲機夾嘴張開，使定位銷進入接線端子定位孔內，當送料氣缸到達限位處，氣缸進入緩沖狀態(tài)，在壓縮彈簧的作用力下繼續(xù)緩慢下降，直到到達油液緩沖器最大壓縮行程，氣缸執(zhí)行服務動作，一個裝配工作周期完成。

1-密封圈槽；2-安裝快速接頭；3-旋轉氣缸；4-直線軸承；5-升降氣缸；6-圓柱導軌；7-真空吸頭；8-密封蓋板；9-旋轉臂

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制流程

首先將振動盤里加滿料，通電開機自動工作運行；接著在人機界面上設定系統(tǒng)參數(shù)，查看觸摸屏是否有報警顯示，檢查指示燈是否運行正常，如果一切準備就緒，此時按下人機界面上的啟動按鈕，控制系統(tǒng)將會按照以下流程工作：首先從圓盤的振動盤進料口抓取工件，放入圓盤工位1，然后發(fā)出進料完成信號，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1和工位2同時工作，工位1進料、工位2向接線端子內植入螺母，待兩個工位都發(fā)出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3同時工作，工位1、2的動作與前面相同，工位3執(zhí)行向接線端子內插入墊片的動作，待3個工位都發(fā)出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3重復前面的動作，工位4執(zhí)行鎖螺絲的動作，待4個工位都發(fā)出完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時工位1、工位2、工位3、工位4執(zhí)行前面相同的動作，工位5執(zhí)行插定位銷的動作流程，待5個工位都發(fā)出裝配完成信號時，凸輪分割器驅動圓盤旋轉相應的角度；這時一個裝配完成的接線端子將會在工位6出料口出料。按照這樣的順序流程循環(huán)連續(xù)工作，實現(xiàn)多個工位同時進行裝配的自動化批量生產任務。

1-螺絲機夾嘴；2-壓縮彈簧；3-下壓元件；4-送料氣缸；5-浮動接頭；6-直線導軌；7-油液緩沖器；8-導軌限位塊

2.2 系統(tǒng)互聯(lián)圖

通過分析控制流程可知接線端子裝配機的控制屬于順序控制，圓盤的旋轉采用步進電機及配套的驅動器控制；控制系統(tǒng)對信號的處理為數(shù)字量的處理和控制；通過人機界面來實現(xiàn)參數(shù)設置、啟?？刂萍皩崟r監(jiān)視等功能。針對上述要求，選用三菱晶體管輸出的FX3U系列PLC及昆侖通態(tài)的觸摸屏，PLC與觸摸屏之間通過232串口進行通訊，其系統(tǒng)互聯(lián)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)互連圖

2.3 PLC輸入/輸出信號接線

由于使用了步進電機控制六工位圓盤，因此選用晶體管輸出的PLC。FX3U系列的PLC帶有3個高速脈沖口，PLC的輸出端Y0～Y7為步進電機定位控制用，Y0～Y2為高速脈沖輸出口，Y3～Y7為方向信號。該系統(tǒng)設計電路中定義脈沖信號輸出為Y0，方向信號為Y3，脫機信號為Y4。此外Y10～Y37均為各單元氣缸電磁閥輸出信號，PLC的輸入信號主要來自于氣缸的磁感應傳感器以及光纖傳感器信號。PLC I/O接線圖如圖6所示。

圖6 PLC I/O接線圖

由于本系統(tǒng)設計占用的I/O點很多，選型所采用的FX3U-80MT輸入輸出點不夠，后又根據(jù)需要進行了I/O擴展，選擇的擴展模塊為FX2N-16ER。

2.4 觸摸屏設計

圖7為觸摸屏系統(tǒng)自動運行界面，設置了4個指示燈顯示，分別為自動運行、初始狀態(tài)、故障報警、原點位置，這樣能夠實時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，只有在4個指示燈均顯示正常的狀態(tài)下才能夠啟動或者保持運行狀態(tài)；設置了3個按鈕，分別為啟動按鈕、停止按鈕和急停旋鈕；在觸摸屏的下方有5個功能界面按鈕，每個界面對應不同的功能，可以實現(xiàn)任意切換。

圖7 自動運行界面 圖8 報警顯示界面

圖8為系統(tǒng)報警顯示界面，滾動提示可以實時顯示當前故障；窗口提示能記錄一段時間內的所有報警，以表格的形式記錄，系統(tǒng)默認報警信息保存時間為一周；報警提示類似于窗口提示，在提供信息的同時還可以提供聲音報警；在觸摸屏的下方有5個功能界面按鈕，每個界面對應不同的功能，可以實現(xiàn)任意切換。

2.5 PLC編程

基于PLC控制的裝配系統(tǒng)采用了三菱GX Works2編程軟件編輯梯形圖程序，通過DZRN、DDRVA等定位指令完成步進電機的回零控制及位置控制，如圖9、圖10所示 。通過子程序調用選擇各工位程序的運行，縮短了程序掃描執(zhí)行的時間。

圖9 步進電機原點回歸控制 圖10 步進電機定位控制

3 結語

接線端子裝配設備采用了三菱PLC控制，與原來的繼電器電路控制系統(tǒng)相比，具有更大的靈活性和通用性；通過人機界面能夠實現(xiàn)對設備的實時操作與監(jiān)控，更加方便快捷。此設備采用自動控制，不需要人員頻繁操作，降低了工作強度，節(jié)省了人力和成本。通過一段時間的試運行，該設備能夠正常且穩(wěn)定運行。