韩以伦，李 梅，邱鹏程，侯 磊，李明波

（山东科技大学 交通学院，青岛 266510）

0 引言

现代制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大的飞跃。然而，由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配工艺已成为现代化生产的薄弱环节，现代制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临着严峻的挑战。装配是一项复杂的生产过程，人工操作在装配中作为一个生产元素出现，既不能保证工作的一致性和稳定性，又不具备判断准确、灵巧的特性，因此已经不能与当前的社会经济条件相适应。装配自动化在于提高生产效率，降低成本，保证产品质量，特别是减轻或取代特殊条件下的人工装配劳动。

该自动装配系统受某医疗器械公司委托设计，用于某型号医用塑料支架的自动装配，由于装配的零部件体积较小，所以采用自动装配系统既安全、可靠、高效，又可以降低工人的劳动强度，提高企业生产效率。

1 机械系统

1.1 系统整体方案设计

塑料支架由上支架、塑料钉和下支架组成，各零部件结构如图1所示。装配时，先将塑料钉按要求方向放入放钉槽，放钉结束后再安放上支架，下支架上的熔柱体插入柱孔，最后熔柱，装配完成。

医用塑料支架自动装配系统总体方案设计如图2所示，步进电机推送下支架沿导轨进给，到达指定位置后，机械手抓取整列好的塑料钉放入下支架放钉槽，放钉结束后检测塑料钉安放是否合格，若放钉不良则被推出导轨，若放钉工作准确完整则进入下一个位置，机械手抓取上支架安放，安放上支架结束后进入下一个位置，检测上支架安放是否合格，若安放不合格，则该位置气缸启动，将其推离导轨，若安放合格，则进入下一个位置进行熔柱，熔柱完成则进入良品箱，装配完成。

图1 零件结构图

1.2 系统工作流程

结合各零件结构图和系统整体图对该装配系统工作流程进行详细介绍：

图2 自动装配系统整体结构

1）准备工作。打开开关，步进电机和各气缸原点复位到起始点，整列轨道各限位位置传感器接通，整列轨道末端震动盘（图中未画出）开始震动，下支架、塑料钉和上支架分别整列并到达限位位置。

2）下支架进给。位于导轨侧面的光纤传感器感应到下支架后步进电机运行带动推板推送下支架沿导轨往前进给，第一次进给68mm，使第一个下支架到达安放塑料钉的指定位置（1号放钉槽中心与气爪1抓取的塑料钉中心在一条直线上）后，步进电机复位至原始位置；第二次进给34mm，进给下支架到位后步进电机同样也要复位至原始位置；从第三次开始有规律，进给距离为两短一长（第三次、第四次分别进给5.5mm，进给结束步进电机不复位；第五次进给23mm，进给结束步进电机复位），以此循环。推板有前端面和侧端面，侧端面与导轨平行，起限位作用，防止下支架在推板往前运动的同时进入导轨导致推板无法退回初始位置。

3）安放塑料钉。安放塑料钉的工作由机械手来完成，塑料钉整列轨道端部的传感器（图中未标出）感应到塑料钉整列至限位位置后，塑料钉搬运气缸启动，机械手抓取塑料钉并运动到指定位置，步进电机第二次进给结束后，控制机械手升降的气缸启动，机械手下降至限位位置后气爪松开，塑料钉落入放钉槽，为了节约安放塑料钉的时间，机械手上固定两个气爪，气爪前端加装夹爪，两个夹爪之间的距离为三个放钉槽的宽度，机械手一次抓取两个塑料钉，每个下支架有六个放钉槽，分三次安放，安放顺序为1、4号，2、5号，3、6号。

4）检测塑料钉放置情况。利用光纤传感器检测塑料钉是否安放合格，光纤传感器位于导轨侧面，与安放塑料钉的形式一样，两个传感器平行放置，同时工作，分三次进行检测，检测顺序与塑料钉的安放顺序一致，步进电机走完第四步后，第一个下支架安放塑料钉完成，步进电机走第五步后，第二个下支架开始安放塑料钉，第一个下支架进入检测位置开始检测，若有塑料钉安放不合格的情况，位于该位置的气缸启动，将其推离导轨进入不良品箱，若放钉合格，则进入下一个位置安放上支架。

5）安放上支架。该位置光纤传感器检测到下支架到达指定位置后，上支架搬运气缸启动，机械手下降至限位位置后气爪3松开，上支架落入下支架，上支架安放完成，进入下一个位置进行检测。

6）检测上支架放置情况。该位置光纤传感器检测到装配件到达位置后，采用光电传感器检测有无上支架，若无，则该位置气缸启动将其推离导轨进入不良品箱，若有，则进入下一个位置进行熔柱。

7）熔柱。装配件进入该位置后，该位置气缸启动，控制熔柱触头下降，和熔柱触头一起下降的还有两边侧板，侧板最低点超出熔柱触头一定距离，下降的时候两边侧板先接触上支架，将上支架下压，使下支架上的熔柱体进入柱孔，上支架完全扣紧在下支架内，气缸继续运动，熔柱触头接触熔柱体，边熔柱边下降，运动到限位位置（完全熔柱）后（1-2秒），熔柱完成，气缸复位到初始位置。

2 气压传动系统

本装配系统气压传动就是利用气缸完成机械手的前进、后退，气爪的夹紧、松开，下放塑料钉和上支架以及熔柱触头的下降，执行元件种类少，原理简单，但是气缸的数量比较多，难在控制各个气缸的联动。这里以安放塑料钉的气压回路为例，给出气压原理图，如图3所示。

图3 安放塑料钉气压传动原理图

3 电气系统设计

本装配系统采用PLC控制，电气控制系统设计是本装配系统的核心部分。本装配系统执行元件有步进电机和气缸，需要采集的反馈信号比较多，包括光电传感器、光纤传感器、温控器等，此外该自动装配系统还配有触摸屏。

3.1 控制系统整体结构

控制系统整体结构如图4所示。

图4 整体控制系统结构图

3.2 PLC选型

1）输入输出（I/O）点数的估算

根据被控对象统计的输入点34为个，输出点16为个，考虑10%—20%的可扩展余量后对输入输出点数圆整，确定为输入输出各40点。

2）存储器容量估算

数字量I/O点数的10—15倍，加上模拟量I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量，确定内置RAM存储器（8000步）。

3）机型的选择

PLC的类型选择整体型，电源选用220VAC电源，存储器为8K存储器，I/O总点数为80点，由于驱动的负载中有步进电机，因此选用晶体管输出型，最后考虑系统以后的通用性选用三菱FX2N-80MT-001（NPN）。

根据控制要求结合装配工艺流程编制I/O点分配如表1所示。

表1 I/O点分配表

4 结论

本文主要介绍了某医用塑料支架的装配工艺流程，采用PLC控制技术和多传感器融合技术，控制步进电机和气缸等执行元件完成自动装配工作。多传感器信息融合技术可以提高对机械手位移控制的跟踪能力，实现对位置的准确定位，从而提高系统的可靠性。该系统虽然是非标准设备，但其设计思路值得推广，可以应用到其他行业产品的自动化装配系统设计。

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[2] 姜继海,宋锦春,高常识.液压与气压传动[M].北京市:高等教育出版社.2009.

[3] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京市:北京航空航天大学出版社.2013.

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[5] 韩以伦,王敬.基于PLC的汽车车厢侧板自动点焊控系统设计[J].制造业自动化,2013-11（上）:124-126.