基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備設(shè)計開發(fā)

劉 通

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引言

在工業(yè)自動化高速發(fā)展的今天，仍然有許多裝配領(lǐng)域過分依賴人工裝配生產(chǎn)，如一些螺紋結(jié)合的管狀工件裝配，如圖1所示，通常為2個圓柱狀工件一個末端為外螺紋另一個末端為內(nèi)螺紋，傳統(tǒng)方式結(jié)合時需要將其中一個工件固定并將2個工件保持同軸，再靠人工將2個工件的螺紋進行認(rèn)扣，最后人工利用工裝將工件擰緊，從而完成螺紋結(jié)合工件的裝配。在作者工作涉及的船舶行業(yè)中傳統(tǒng)裝配方式已經(jīng)無法滿足巨大的產(chǎn)能需求，迫切需要一種自動化設(shè)備提高生產(chǎn)效率，降低工人工作強度，提高良品率，為此作者設(shè)計開發(fā)了一種基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備。

圖1 工件裝配示意圖

1 設(shè)計規(guī)劃

1.1 工藝流程

基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備，該設(shè)計工藝流程如下：

(1)任務(wù)下達；

(2)三坐標(biāo)機械手將工件1抓取放置在夾緊定位機構(gòu)上；

(3)夾緊定位機構(gòu)中的夾緊支座1將工件1向夾緊支座2推動；

(4)夾緊定位機構(gòu)中的夾緊支座2的傳感器檢測到工件1的端面時夾緊支座1停止運動，夾緊定位機構(gòu)將工件1夾緊固定；

(5)三坐標(biāo)機械手將工件2抓取放置在頂升定位機構(gòu)上；

(6)夾緊定位機構(gòu)中的夾緊支座2將支撐斜塊推出阻擋工件2軸向攢動；

(7)擰緊機構(gòu)向工件2方向移動使工件穿過擰緊機構(gòu)的中空卡盤，同時頂升定位機構(gòu)依次降下；

(8)當(dāng)擰緊機構(gòu)后端的傳感器檢測到工件2到位時，擰緊機構(gòu)前端的三爪卡盤將工件2夾緊，夾緊定位機構(gòu)中的夾緊支座2將支撐斜塊縮回；

(9)擰緊機構(gòu)帶著工件2旋轉(zhuǎn)與工件1認(rèn)扣、擰緊；

(10)當(dāng)擰緊機構(gòu)機構(gòu)中的扭矩傳感器檢測到擰緊扭矩達到設(shè)定扭矩時，工件擰緊結(jié)合完成，擰緊機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動并松開工件；

(11)擰緊機構(gòu)返回原點，夾緊定位機構(gòu)松開工件；

(12)三坐標(biāo)機械手將工件下料；

1.2 工作節(jié)拍

設(shè)備運行分為三坐標(biāo)機械手的動作及螺紋自動擰緊設(shè)備的動作兩部分，詳細(xì)步驟如表1所示，節(jié)拍71秒。

表1 詳細(xì)步驟節(jié)拍

2 設(shè)備機構(gòu)設(shè)計

如圖2、圖3所示，基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備由夾緊定位機構(gòu)、頂升定位機構(gòu)、擰緊機構(gòu)、專機底座、電控柜組成。

圖2 基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備

圖3 專機組成示意圖

如圖4所示，夾緊支座1位于專機底座的伺服滑臺上，當(dāng)設(shè)備運行時，現(xiàn)將工件1放置在夾緊定位機構(gòu)的支撐軸承上，使工件只能保持軸向移動，伺服滑臺帶著夾緊支座1沿軸向向夾緊支座2方向運動，使夾緊支座1上的推板推著工件1同步運動，當(dāng)夾緊支座2上的傳感器檢測到工件端面時，伺服滑臺停止工作，夾緊支座1和夾緊支座2上的夾緊機構(gòu)將工件1夾緊定位。

圖4 夾緊定位機構(gòu)

如圖5所示，頂升定位機構(gòu)安裝在專機底座上，當(dāng)設(shè)備運行時，機械手將工件2放置在頂升定位機構(gòu)上，頂升定位機構(gòu)將工件2頂升，使工件2與工件1、擰緊機構(gòu)保持同軸。

圖5 頂升定位機構(gòu)

如圖6所示，擰緊機構(gòu)安裝在專機底座的伺服滑臺上，當(dāng)設(shè)備運行時，伺服滑臺帶著擰緊機構(gòu)向工件2方向運動，使工件2穿過擰緊機構(gòu)的三爪卡盤，擰緊機構(gòu)運動到夾緊位置時，三爪卡盤將工件2夾持，動力機構(gòu)帶動三爪卡盤旋轉(zhuǎn)使工件擰緊結(jié)合，當(dāng)擰緊機構(gòu)的扭矩傳感器檢測到擰緊扭矩達到設(shè)定值時，動力機構(gòu)停止工作，三爪卡盤松開，擰緊機構(gòu)返回原點。

圖6 擰緊機構(gòu)

3 控制方案設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)概述

根據(jù)生產(chǎn)工藝過程要求，控制系統(tǒng)采用先進的PLC集成技術(shù)和安全技術(shù)，采用成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)多專機、多系統(tǒng)的柔性智能化裝配，優(yōu)化信息采集方案，實現(xiàn)多傳感器信息融合的分布式控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)采用主從分布式控制方式，主、從控制器之間通過profinet現(xiàn)場總線進行通訊。系統(tǒng)主控制柜放置在遠(yuǎn)端中央控制室內(nèi)，采用西門子公司S7-1500系列PLC為控制核心，實現(xiàn)現(xiàn)場各設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和操作控制，同時保存各種參數(shù)信息，包括各自動化專機的運行狀態(tài)信息、工件信息、工藝參數(shù)信息等，為MES信息管理系統(tǒng)提供信息資源。

專機各部的控制柜及各自動化專機控制柜放置在生產(chǎn)現(xiàn)場，采用西門子公司S7-1200系列PLC為控制單元，輔以遠(yuǎn)程I/O模塊ET200、485通訊模塊等對裝配現(xiàn)場的防爆電機、防爆伺服電機、本安傳感器、氣動元件等進行控制，實現(xiàn)裝配過程的柔性化、智能化。

設(shè)備配有觸摸屏，可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、故障查詢以及手動操作控制等功能，觸摸屏界面設(shè)計如圖8所示。換產(chǎn)時，只需在觸摸屏界面上選擇產(chǎn)品型號，控制系統(tǒng)自動調(diào)用相應(yīng)的支撐、夾持位置參數(shù)及擰緊工藝參數(shù)。

圖8 觸摸屏界面

3.2 控制系統(tǒng)的特點

多機網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制：通過profinet現(xiàn)場總線實現(xiàn)各專機控制系統(tǒng)的互聯(lián)，通過軟件編程實現(xiàn)生產(chǎn)線過程控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、故障診斷、信息處理和預(yù)警功能，獨立的控制單元有效地連接起來，實現(xiàn)各專機的信息交換和系統(tǒng)各部件的協(xié)同工作，實現(xiàn)本質(zhì)安全的控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)實時監(jiān)測：系統(tǒng)可實時監(jiān)測各工位專機的工作狀態(tài)，對生產(chǎn)裝配過程中的測量數(shù)據(jù)進行實時顯示和記錄，建立裝配工藝庫，使操作人員可以實時觀測裝配系統(tǒng)的當(dāng)前運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

設(shè)備管理及故障處理：對關(guān)鍵工位和安全檢測傳感器采取冗余的雙回路設(shè)計，降低故障和異常事件的發(fā)生率；對故障能實現(xiàn)自我診斷停機保護，并顯示故障類型；通過報警燈閃爍、蜂鳴器鳴叫提示等方式進行報警；故障排除后，可實現(xiàn)安全復(fù)位功能。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控：通過成熟的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息化管理和視頻監(jiān)控功能，從而實現(xiàn)裝配全過程的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

4 結(jié)束語

在管狀工件的裝配領(lǐng)域中，行業(yè)內(nèi)多采用人工認(rèn)扣、人工擰緊的裝配方式，人工裝配存在自動化率低的問題，而且使用人工擰緊不僅增加了工人的工作強度，也無法得到準(zhǔn)確的擰緊扭矩從而判斷工件是否擰緊結(jié)合到位，不能夠確保裝配的良品率。本次設(shè)計開發(fā)的基于扭矩控制的螺紋自動擰緊設(shè)備，通過擰緊扭矩的實時反饋與機構(gòu)控制結(jié)合，為一些螺紋結(jié)合工件的裝配提供了一種有效的解決方案，跟人工作業(yè)相比，其效率、質(zhì)量、穩(wěn)定性等有很大提高，是對裝配領(lǐng)域螺紋結(jié)合方面的一次重要的技術(shù)革新，填補了此方面自動化的空白，并可在類似的行業(yè)進行應(yīng)用推廣。