在現(xiàn)代制造業(yè)中，裝配工作時(shí)間占制造的40％ ～60％ ，裝配工作量約占整個(gè)產(chǎn)品制造工作量的20％ -70％。當(dāng)前裝配自動(dòng)化生產(chǎn)線上，多采用傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)件控制的自動(dòng)機(jī)，這類機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、機(jī)械效率低、不適用于現(xiàn)代的多品種、小批量生產(chǎn)。為適應(yīng)裝配品種的多變，必須要改變以前適用于單一品種的裝配形式，從而引出柔性自動(dòng)裝配 的概念。柔性裝配系統(tǒng)以其良好的響應(yīng)外部變化特性，已成為裝配系統(tǒng)的發(fā)展方向。合件的裝配生產(chǎn)過去采用人工流水作業(yè)的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，速度慢。因此為了提高生產(chǎn)效率，研制出適用于合件自動(dòng)裝配生產(chǎn)的裝配機(jī)就很有必要。近幾年來，在一些行業(yè)的裝配自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，雖然采用繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但線路復(fù)雜、可靠性和動(dòng)態(tài)精度低。采用可靠性和精度高的可編程控制器(PLC)作為裝配機(jī)控制設(shè)備，可以簡(jiǎn)化線路，并能提高系統(tǒng)的可靠性和精度。

　　PLC控制多工位自動(dòng)裝配機(jī)，以合件裝配為主要任務(wù)，采用氣動(dòng)元件來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模塊化的設(shè)計(jì)方法，使整個(gè)系統(tǒng)靈活可靠，可實(shí)現(xiàn)同類型不同型號(hào)合件的裝配生產(chǎn)，整體優(yōu)化了產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)，改善了企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，并能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)組成和工藝過程

　　1.1 系統(tǒng)組成

　　多工位自動(dòng)裝配系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、主裝配系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)及控制器、電磁閥等組成，如圖1。主裝配系統(tǒng)主要由防爆電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、間歇式分度機(jī)構(gòu)、點(diǎn)膠機(jī)、機(jī)架、11工位轉(zhuǎn)盤、隨行工裝、定位平臺(tái)、FESTO和SMC氣動(dòng)元件及相關(guān)連接組件等組成。檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)元件電渦流位移傳感器和相關(guān)連接組件組成；在自動(dòng)上料這一環(huán)節(jié)采用由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線定位平臺(tái)給料，保證了精度要求。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　1.2 系統(tǒng)工藝流程

　　工藝過程如圖2所示。在將待裝配的合件放入隨行工裝后，經(jīng)過三次距離檢測(cè)，三次收口，涂膠、上料、壓平，最后完成成品下料。在這過程中，涂膠主要完成向合件內(nèi)壁涂抹上一層黏合劑，對(duì)即將裝入其內(nèi)的部件起固定作用；上料過程分為兩步，首先是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)自動(dòng)給料，然后由機(jī)械手從料盤中抓取部件，通過搬運(yùn)，放入合件內(nèi)孔中；接著通過壓平使部件和合件內(nèi)內(nèi)壁涂抹上一層黏合劑，對(duì)即將裝入其內(nèi)的部件起固定作用；上料過程分為兩步，首先是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)自動(dòng)給料，然后由機(jī)械手從料盤中抓取部件，通過搬運(yùn)，放入合件內(nèi)孔中；接著通過壓平使部件和合件內(nèi)壁充分接觸；最后經(jīng)檢驗(yàn)合格放入成品容器中。

圖2 裝配工序流程

2 PLC控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及特點(diǎn)

　　2.1 PLC的I／O點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　在控制系統(tǒng)電路中，輸入PLC的控制信號(hào)有72點(diǎn)，其中包括指令信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)；PLC輸出控制的點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)，這些為動(dòng)作執(zhí)行元件、急停報(bào)警、功能轉(zhuǎn)換等。PLC輸入輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

　　2.2 系統(tǒng)硬件選型

　　根據(jù)多工位自動(dòng)裝配機(jī)的裝配工藝要求，其電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)上位機(jī)和一套西門子S7—300 PLC和一臺(tái)編程器組成。上位機(jī)為Evoc工控機(jī)，適合在企業(yè)惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。PLC編程軟件為STEP7 V5.3，人機(jī)界面軟件為WinCC V4。.

　　PLC采用CPU314中央處理單元，由兩塊接口模板IM365實(shí)現(xiàn)機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的數(shù)據(jù)傳送，I／O模塊分別為4塊SM322數(shù)字量輸入模塊、1塊SM331模擬量輸入模塊、3塊SM321數(shù)字量輸出模塊和2塊FM353步進(jìn)電機(jī)定位模塊；另配有一塊PS307電源模塊。PLC模塊布置圖如圖3所示，整個(gè)控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖3 PLC模塊布置圖

圖4 PLC控制系統(tǒng)原理圖

　　2.3 PLC的特點(diǎn)

　　可編程控制器(PLC)的設(shè)計(jì)是以方便工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)，并盡可能采用先進(jìn)技術(shù)。西門子S7—300PLC具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

　　(1)指令處理極其快速，功能強(qiáng)大的CPU只需0.3ms就可處理1024個(gè)二進(jìn)制語句；

　　(2)計(jì)算性能極強(qiáng)，完善的指令集，MP1接口和通過SIMATIC NET聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)能力，功能更強(qiáng)；

　　(3)高性能模板和六種CPU適用任一應(yīng)用場(chǎng)合；模塊可擴(kuò)至3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架；集成了MMI(人機(jī)界面)接口電路；用戶友好的WINDOWS STEP7編程；

　　(4)全部模塊化，運(yùn)行可靠，性能價(jià)格比高。

3 步進(jìn)電機(jī)的PLC控制方法

　　在上料工位中，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線定位平臺(tái)的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)給料。PLC控制的伺服給料機(jī)構(gòu)由可編程控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和直線定位平臺(tái)組成，如圖5所示。

圖5 伺服給料機(jī)構(gòu)組成

　　在該伺服機(jī)構(gòu)中，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠相連，定位平臺(tái)和絲杠通過滾珠絲杠副的形式相連。定位平臺(tái)的行程采用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)。從伺服機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上可以看出，定位平臺(tái)的行程與步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角成正比，所以通過控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角就能實(shí)現(xiàn)對(duì)定位平臺(tái)行程的控制。通過步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可得：步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù)；因此就可以確定PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)

N = △L／δ

　　式中：△L為定位平臺(tái)的位移量(mm)；6為定位平臺(tái)的脈沖當(dāng)量(mm／脈沖)；N為PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)。

　　定位的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率；所以可根據(jù)該工位要求的進(jìn)給速度，來確定其PLC輸出的脈沖頻率

f=Vf／60δ

　　式中：f為PLC輸出的脈沖頻率(Hz)；Vf為定位平臺(tái)的進(jìn)給速度(mm／min)；6為定位平臺(tái)的脈沖當(dāng)量(mm／脈沖)。

　　定位平臺(tái)的送料過程由進(jìn)給和返回兩步組成；進(jìn)給和返回過程控制通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向的控制來實(shí)現(xiàn)。在PLC中，該過程可通過編程改變輸出脈沖的順序，控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序來實(shí)現(xiàn)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)軟件包括下位機(jī)PLC控制軟件和上位機(jī)人機(jī)界面軟件。組態(tài)軟件為STEP7 V5。0，完成系統(tǒng)組態(tài)和編程；人機(jī)界面軟件用于系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

　　4.1 PLC編程軟件

　　本系統(tǒng)PLC程序使用STEP7 V5。0編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝配過程的控制和過程數(shù)據(jù)的初步處理。在STEP7 V5。0中，編程語言有：梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊(FBD) 。

　　在STEP7V5.0環(huán)境下，首先建立新項(xiàng)目，插入PLC站，插入各模塊的順序完成硬件組態(tài)，然后開始編制PLC程序。編寫的程序分為手動(dòng)程序和自動(dòng)程序。手動(dòng)程序主要在安裝調(diào)試和設(shè)備檢修過程中使用，各工位動(dòng)作需要由手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)程序通過控制主程序循環(huán)調(diào)用各裝配工位的子程序來實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝配系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)作，程序流程框圖如圖6所示。子程序主要由檢測(cè)子程序G1、收口子程序G2，G3，G4、檢測(cè)子程序G5、涂膠子程序G6、上料子程序G7、壓平子程序G8、檢測(cè)子程序G9、下料子程序G10組成。

圖6 程序流程框圖

　　4.2 上位機(jī)人機(jī)界面軟件

　　本系統(tǒng)開發(fā)主要包括操作控制界面、狀態(tài)顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面和統(tǒng)計(jì)分析界面等，軟件面板主界面如圖7所示。狀態(tài)顯示界面用于顯示設(shè)備的運(yùn)行情況，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠同時(shí)給出故障報(bào)警和出錯(cuò)顯示，為及時(shí)排除故障提供幫助。統(tǒng)計(jì)分析界面用來記錄并分析設(shè)備的生產(chǎn)狀況，包括目前的生產(chǎn)總量、生產(chǎn)效率和合格品率等，為生產(chǎn)管理提供依據(jù)。在參數(shù)設(shè)置界面中，可以根據(jù)要求選擇裝配合件的型號(hào)。在面板右下方的幫助信息里，為用戶提供了硬件維護(hù)，參數(shù)說明及常見故障處理方法，極大地方便了用戶。操作控制分為手動(dòng)模式、單步模式和循環(huán)模式；手動(dòng)模式用于調(diào)試時(shí)使用；循環(huán)模式用于正常工作時(shí)使用。在面板上方還設(shè)置有軟件開關(guān)、復(fù)位和急停功能按鈕。

圖7 軟件面板主界面

5 結(jié)束語

　　傳統(tǒng)合件的裝配生產(chǎn)采用手工流水作業(yè)的方式，阻礙生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。為了解決這個(gè)問題，將德國(guó)西門子公司S7 300系列PLC應(yīng)用到合件的裝配生產(chǎn)控制中。該裝配機(jī)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)初步調(diào)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。