在現(xiàn)代制造業(yè)中，裝配工作時間占制造的40％ ～60％ ，裝配工作量約占整個產(chǎn)品制造工作量的20％ -70％。當前裝配自動化生產(chǎn)線上，多采用傳統(tǒng)機械構(gòu)件控制的自動機，這類機器結(jié)構(gòu)復雜、制造困難、機械效率低、不適用于現(xiàn)代的多品種、小批量生產(chǎn)。為適應裝配品種的多變，必須要改變以前適用于單一品種的裝配形式，從而引出柔性自動裝配 的概念。柔性裝配系統(tǒng)以其良好的響應外部變化特性，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，勞動強度大，速度慢。因此為了提高生產(chǎn)效率，研制出適用于合件自動裝配生產(chǎn)的裝配機就很有必要。近幾年來，在一些行業(yè)的裝配自動化生產(chǎn)過程中，雖然采用繼電器控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化，但線路復雜、可靠性和動態(tài)精度低。采用可靠性和精度高的可編程控制器(PLC)作為裝配機控制設備，可以簡化線路，并能提高系統(tǒng)的可靠性和精度。

　　PLC控制多工位自動裝配機，以合件裝配為主要任務，采用氣動元件來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。模塊化的設計方法，使整個系統(tǒng)靈活可靠，可實現(xiàn)同類型不同型號合件的裝配生產(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

　　多工位自動裝配系統(tǒng)由檢測系統(tǒng)、主裝配系統(tǒng)、步進電機及控制器、電磁閥等組成，如圖1。主裝配系統(tǒng)主要由防爆電機、步進電機、間歇式分度機構(gòu)、點膠機、機架、11工位轉(zhuǎn)盤、隨行工裝、定位平臺、FESTO和SMC氣動元件及相關連接組件等組成。檢測系統(tǒng)主要由檢測元件電渦流位移傳感器和相關連接組件組成；在自動上料這一環(huán)節(jié)采用由步進電機驅(qū)動直線定位平臺給料，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，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，首先是由步進電機驅(qū)動定位平臺自動給料，然后由機械手從料盤中抓取部件，通過搬運，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，首先是由步進電機驅(qū)動定位平臺自動給料，然后由機械手從料盤中抓取部件，通過搬運，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

　　2.1 PLC的I／O點設計

　　在控制系統(tǒng)電路中，輸入PLC的控制信號有72點，其中包括指令信號和狀態(tài)信號；PLC輸出控制的點數(shù)為64點，這些為動作執(zhí)行元件、急停報警、功能轉(zhuǎn)換等。PLC輸入輸出點統(tǒng)計如表1所示。

　　2.2 系統(tǒng)硬件選型

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

　　PLC采用CPU314中央處理單元，由兩塊接口模板IM365實現(xiàn)機架和擴展機架之間的數(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步進電機定位模塊；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

　　可編程控制器(PLC)的設計是以方便工業(yè)應用為目標，并盡可能采用先進技術。西門子S7—300PLC具有以下幾個顯著特點：

　　(1)指令處理極其快速，功能強大的CPU只需0.3ms就可處理1024個二進制語句；

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

　　(3)高性能模板和六種CPU適用任一應用場合；模塊可擴至3個擴展機架；集成了MMI(人機界面)接口電路；用戶友好的WINDOWS STEP7編程；

　　(4)全部模塊化，運行可靠，性能價格比高。

3 步進電機的PLC控制方法

　　在上料工位中，采用步進電機驅(qū)動直線定位平臺的開環(huán)伺服機構(gòu)給料。PLC控制的伺服給料機構(gòu)由可編程控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機和直線定位平臺組成，如圖5所示。

圖5 伺服給料機構(gòu)組成

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

N = △L／δ

　　式中：△L為定位平臺的位移量(mm)；6為定位平臺的脈沖當量(mm／脈沖)；N為PLC輸出的脈沖個數(shù)。

　　定位的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(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為定位平臺的進給速度(mm／min)；6為定位平臺的脈沖當量(mm／脈沖)。

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

4 控制系統(tǒng)軟件設計

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

　　4.1 PLC編程軟件

　　本系統(tǒng)PLC程序使用STEP7 V5。0編寫，實現(xiàn)對整個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程序和自動程序。手動程序主要在安裝調(diào)試和設備檢修過程中使用，各工位動作需要由手動控制實現(xiàn)。自動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現(xiàn)整個裝配系統(tǒng)的連續(xù)動作，程序流程框圖如圖6所示。子程序主要由檢測子程序G1、收口子程序G2，G3，G4、檢測子程序G5、涂膠子程序G6、上料子程序G7、壓平子程序G8、檢測子程序G9、下料子程序G10組成。

圖6 程序流程框圖

　　4.2 上位機人機界面軟件

　　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)設置界面和統(tǒng)計分析界面等，軟件面板主界面如圖7所示。狀態(tài)顯示界面用于顯示設備的運行情況，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠同時給出故障報警和出錯顯示，為及時排除故障提供幫助。統(tǒng)計分析界面用來記錄并分析設備的生產(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)設置界面中，可以根據(jù)要求選擇裝配合件的型號。在面板右下方的幫助信息里，為用戶提供了硬件維護，參數(shù)說明及常見故障處理方法，極大地方便了用戶。操作控制分為手動模式、單步模式和循環(huán)模式；手動模式用于調(diào)試時使用；循環(huán)模式用于正常工作時使用。在面板上方還設置有軟件開關、復位和急停功能按鈕。

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。為了解決這個問題，將德國西門子公司S7 300系列PLC應用到合件的裝配生產(chǎn)控制中。該裝配機具有系統(tǒng)穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點。通過現(xiàn)場初步調(diào)試達到了設計要求。