基于PLC控制的齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

車 娟

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215411）

0 引言

機(jī)械設(shè)備的開發(fā)與研究一直是工業(yè)領(lǐng)域比較重要的部分，其中氣動機(jī)械手是我國工業(yè)機(jī)械手中普遍采用的一種機(jī)械手類型，是工業(yè)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，代替了多種枯燥且繁重的人力勞動，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉以及可靠性高等特點(diǎn)[1]。

根據(jù)ISO 6336-5∶2016標(biāo)準(zhǔn)要求，企業(yè)生產(chǎn)的齒輪需要在發(fā)貨前對尺寸和性能進(jìn)行檢測，以保證發(fā)貨產(chǎn)品質(zhì)量合格。依據(jù)企業(yè)TC03業(yè)務(wù)單元的生產(chǎn)流程規(guī)范，需要在終檢線相鄰的檢測工站間設(shè)計(jì)制造一套齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置來實(shí)現(xiàn)工站間的產(chǎn)品移動，以此代替人工勞動力。經(jīng)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場上應(yīng)用于小型檢測機(jī)構(gòu)的自動化控制搬運(yùn)移動機(jī)構(gòu)較少，多以機(jī)械手為主，使用機(jī)械手需要較大的空間，難以適用于檢測機(jī)構(gòu)之間的產(chǎn)品移動，且初期組建成本高，后期保養(yǎng)維修復(fù)雜，價(jià)格也較高。因此，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)一套使用PLC控制氣缸來實(shí)現(xiàn)齒輪產(chǎn)品升降、轉(zhuǎn)動和翻轉(zhuǎn)的裝置是比較理想的解決辦法。

1 齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置整體設(shè)計(jì)

1.1 齒輪終檢線工作流程

該齒輪終檢線主要實(shí)現(xiàn)齒輪的嚙合檢測和高度檢測，齒輪終檢線的布局如圖1所示。

圖1 齒輪終檢線布局圖

其工作流程如下：

（1）工人將裝有待檢品的Tray盤放入傳送帶1，由機(jī)械手1將待檢品按順序抓取放到齒嚙合檢測站等待工裝上；

（2）由機(jī)械手2抓取等待工裝上的待檢品放置到齒嚙合檢測工裝上進(jìn)行齒嚙合檢測，檢測完畢后再夾取待檢品放至?xí)捍嬲荆?/p>

（3）齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置將暫存站的待檢品放置到高度檢測工裝上進(jìn)行高度檢測，檢測完畢后將產(chǎn)品放置在機(jī)械手3的夾取工位進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)；

（4）機(jī)械手3將檢測合格的產(chǎn)品抓取放置到傳送帶2上的Tray盤內(nèi)，將檢測不合格的產(chǎn)品放置到不合格產(chǎn)品傳送帶上。

1.2 齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)組成

齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置抓取的齒輪產(chǎn)品重量為194.17 g，需要將產(chǎn)品從暫存站夾取放置到高度檢測工裝上，高度檢測完成后需要將產(chǎn)品夾取翻轉(zhuǎn)并搬運(yùn)到機(jī)械手3的夾取位，要實(shí)現(xiàn)3個(gè)位置間的兩次搬運(yùn)，所以本裝置需要設(shè)置兩個(gè)夾爪，夾爪1用于夾取暫存站上的產(chǎn)品，夾爪2用于夾取高度檢測工裝上的產(chǎn)品。裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2 齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)中，PLC作為主控元件，接收暫存站信號、高度檢測信號和機(jī)械手3抓取信號，對齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行順序控制。通過此控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪待檢品夾取、轉(zhuǎn)移、翻轉(zhuǎn)的功能，實(shí)現(xiàn)了齒輪檢測自動化，保證了終檢線生產(chǎn)的穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低了勞動力成本。圖3為齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)的組成。

圖3 控制系統(tǒng)的組成

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件選型

2.2.1 PLC選型

結(jié)合終檢線現(xiàn)有控制系統(tǒng)硬件情況，選擇西門子CPU 1511F-1 PN PLC對齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行控制。西門子CPU 1511F-1 PN型PLC具有速度快、容量大、性能高、功能全等特點(diǎn)。該型號的PLC的分布式外圍設(shè)備通過PROFINET或PROFIBUS通信模塊連接在一起，形成的系統(tǒng)滿足了齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)所需的輸入/輸出量要求。

2.2.2 氣缸選型

（1）選用的旋轉(zhuǎn)氣缸是SCHUNK RM 200-W90-1。該氣缸是市場上常見的一款氣缸，旋轉(zhuǎn)角度為90°，具有運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、體積小等特點(diǎn)。

（2）選用的升降氣缸是FESTO DGST-12-50滑臺式氣缸，配有集成的液壓緩沖器和傳感器支架以及集成的基本緩沖?；_和連接板是一體式組件，能提供極佳的抗扭剛度和精度。

（3）選用的夾爪氣缸是SCHUNK PGN+50-1-AS配合兩個(gè)BSWS-B 50快換系統(tǒng)。夾爪快換系統(tǒng)由快換系統(tǒng)底座和夾爪接口組成，夾爪固定在夾爪接口上，夾爪接口為標(biāo)準(zhǔn)件，可連接不同的夾爪，為今后生產(chǎn)線擴(kuò)充產(chǎn)品型號提供便利。

（4）選用的翻轉(zhuǎn)氣缸是FSESTO DRRD-16-180-FH-Y9A。該氣缸是基于齒輪齒條的雙活塞擺動氣缸，通過齒輪齒條原理實(shí)現(xiàn)動力傳輸，末端位置處的精度極高，在法蘭軸上的端跳非常好。

2.2.3 傳感器選型

該裝置選擇BALLUFF 電感式標(biāo)準(zhǔn)傳感器BES00HC用于旋轉(zhuǎn)氣缸的位置檢測，選擇FESTO接近開關(guān)SMT-10M-PS-24V-E-0，3-L-M8D用于FESTO DGST-12-50升降氣缸的位置檢測，選擇FESTO接近開關(guān)SMT-8M-A-PS-24V-E-0，3-M8D用于翻轉(zhuǎn)氣缸的位置檢測。

2.3 I/O分配

分析控制系統(tǒng)的功能需求可知，齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)的輸入信號主要包括暫存站的通知信號、高度檢測站檢測結(jié)束信號、機(jī)械手3產(chǎn)品夾取信號、旋轉(zhuǎn)氣缸原點(diǎn)位置和工作位置信號、升降原點(diǎn)位置和工作位置信號以及翻轉(zhuǎn)氣缸原點(diǎn)位置和工作位置信號。輸出信號主要是通知旋轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸、夾爪1氣缸和夾爪2氣缸動作，所以PLC需要13個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)。PLC輸入/輸出點(diǎn)分配如表1所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)I/O地址分配表

2.4 PLC控制流程

PLC控制系統(tǒng)需要確保裝置升降動作、旋轉(zhuǎn)動作和翻轉(zhuǎn)動作分步進(jìn)行，不同時(shí)動作，在運(yùn)動過程中不發(fā)生碰撞。夾爪1能準(zhǔn)確夾取且夾緊暫存站上的齒輪準(zhǔn)確送至高度檢測站的工裝位置；夾爪2能準(zhǔn)確夾取且夾緊高度檢測工裝上的齒輪準(zhǔn)確送至機(jī)械手3夾取工位，并將齒輪翻轉(zhuǎn)180°等待機(jī)械手3夾住齒輪，再松開夾爪；待機(jī)械手3離開后，將夾爪翻轉(zhuǎn)回位。PLC控制流程如圖4所示[2]。

圖4 PLC控制流程圖

企業(yè)生產(chǎn)線自動化程序主要使用STL編程語言，所以該裝置控制系統(tǒng)中采用TIA Port-al V16編程軟件，該軟件增強(qiáng)了對SIMATIC S7-1500的支持，支持用戶使用LAD、FBD、STL、SCL編程語言，是西門子打造的全集成自動化編程軟件，可用于PLC編程及仿真檢驗(yàn)。圖5展示了裝置處于初始位置，當(dāng)暫存站有產(chǎn)品，高度檢測站檢測完畢，A軸、Z軸、U軸均在原點(diǎn)位，夾爪處于張開狀態(tài)，Z軸上升運(yùn)動至工作位的部分控制程序片段[3]。

圖5 PLC控制程序片段

3 結(jié)束語

在企業(yè)齒輪生產(chǎn)線和組裝線上，齒輪翻轉(zhuǎn)裝置應(yīng)用廣泛。在加工或表面處理齒輪時(shí)，通常需要將其翻轉(zhuǎn)到另一面進(jìn)行切削、磨削或涂層等。在檢測齒輪時(shí)，需要抓取齒輪到合適的位置，并精確地翻轉(zhuǎn)進(jìn)行尺寸檢測、外觀檢查、性能檢測。當(dāng)需要組裝多個(gè)齒輪時(shí)，齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置可幫助操作者將齒輪定位至正確位置，從而快速完成組裝。該裝置不僅占用空間小，還能減少勞動力浪費(fèi)，縮短檢測機(jī)構(gòu)之間搬運(yùn)移動時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，性能可靠，組建成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于保養(yǎng)維護(hù)，降低了報(bào)廢率。若后期有產(chǎn)品型號增加，也易于改裝，擴(kuò)充兼容性。但是該齒輪抓取翻轉(zhuǎn)裝置并未實(shí)現(xiàn)完全自動化，如果裝置出現(xiàn)卡料、撞擊等情況，還需要技術(shù)員進(jìn)行解報(bào)警及重新運(yùn)行處理，后續(xù)還可增加觸摸屏負(fù)責(zé)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)和報(bào)警信息顯示以及控制調(diào)試等。