溫 斌，付 強(qiáng)

(經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西 晉中 030601)

0 引言

在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、新舊動能充分轉(zhuǎn)換的內(nèi)生動力驅(qū)動下，紡機(jī)行業(yè)智能制造勢在必行。為實現(xiàn)棉紡環(huán)錠細(xì)紗錠子制造的裝配自動化、檢測數(shù)字化，JWD6811ES系列錠子錠座結(jié)合件自動裝配線應(yīng)運(yùn)而生。從彈性管錠底結(jié)合件到錠座的裝配完成，經(jīng)PLC程序控制、傳感器信號檢測、氣缸實時動作、振動機(jī)構(gòu)上料、機(jī)器人精準(zhǔn)送料、伺服電缸壓配等全自動化多流程裝配，實現(xiàn)錠座生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化[1]。作為整條自動裝配線最為核心的電氣控制系統(tǒng)，傳感器如同眼睛收集信號，PLC程序如同神經(jīng)中樞控制裝配流程，機(jī)器人如同四肢抓取運(yùn)輸零件，并以伺服電缸精準(zhǔn)壓配，最終實現(xiàn)自動裝配線的合理運(yùn)行。本文就該自動裝配線中涉及的電氣控制系統(tǒng)予以解析，以深度了解設(shè)備功能結(jié)構(gòu)。

1 傳感器

傳感器作為一種檢測裝置，能感知到被測量物體的信息，并將感知的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代新技術(shù)革命和信息社會的基礎(chǔ)，是自動裝配生產(chǎn)線不可缺少的重要組成部分。

JWD6811ES系列錠子錠座自動裝配生產(chǎn)線中有多種傳感器，應(yīng)用于不同場景，通過感知檢測料的有無、位置、距離、數(shù)量等信息，并將接收到的信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出信號：以高電平“1”或低電平“0”傳輸?shù)絇LC輸入端口，按照編制程序執(zhí)行并輸出指令信號，控制設(shè)備整體動作。

1.1 反射型光電傳感器PR-G42N

應(yīng)用場景：1ST，2ST，3ST，6ST，8ST轉(zhuǎn)盤各工位。

工作原理：發(fā)光元件和受光元件內(nèi)置于一個傳感器放大器內(nèi)，接收來自檢測物體的反射光。

PR-G42N傳感器用于檢測各工位零件的有無：顯示數(shù)值從0到999，0代表無零件，即受光元件無法通過零件的反射接收到光量，各工位無動作；顯示有數(shù)值代表該工位零件存在，進(jìn)行后續(xù)裝配動作。

1.2 高精度激光位移傳感器LS-7030

應(yīng)用場景：5-2ST測量錠膽外圓錐面跳動量。

工作原理：激光傳感器是一種從發(fā)射器發(fā)射激光，并通過接收器檢測物體反射的激光或遮光量的變化，從而獲取輸出信號的儀器。激光傳感器采用具有直線性的“激光”作為發(fā)光原件，光斑可見且不會擴(kuò)散，適合檢測高速運(yùn)動的小型物體。

工作過程：5-2ST工位皮帶驅(qū)動錠膽轉(zhuǎn)動；LS-7030激光傳感器發(fā)射器發(fā)出高亮度 GaN 綠色 LED 輻射光，通過專用的散射模組和準(zhǔn)直儀鏡頭變成均勻平行光，并照射到測量范圍內(nèi)的錠膽外圓錐面上，其影像通過遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)顯示在接收器上，利用接收光在外圓錐面的缺失量測出單側(cè)外徑的最大、最小值，由內(nèi)置CPU相減計算出精確的外圓錐跳動量，并顯示在數(shù)據(jù)面板上，外圓錐跳動量以不大于0.059 mm為合格。

1.3 視覺傳感器IV-500MA

應(yīng)用場景：3-4ST加裝軸承、6-3ST加裝定位套管和吸振圈簧工位。

工作原理：視覺傳感器具有從整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計像素的能力，圖像的清晰和細(xì)膩程度常用分辨率來衡量，以像素量表示；在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。

工作過程：IV-500MA視覺傳感器在3-4ST工位進(jìn)行拍照以檢測有無軸承，選取軸承上蓋板邊緣輪廓、軸承下蓋板邊緣輪廓及軸承整體輪廓共3處采集有效像素，與原始拍攝的圖像標(biāo)準(zhǔn)對比后進(jìn)行判定，相似度數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值即判定該軸承完整；IV-500MA視覺傳感器在6-3ST工位進(jìn)行拍照檢測有無定位套管及吸振圈簧，選取吸振圈簧下邊緣輪廓、定位套管上邊緣輪廓、吸振圈簧右下邊緣定位套管右上邊緣及彈性管右側(cè)構(gòu)成的輪廓共3處采集有效像素，與原始拍攝的圖像標(biāo)準(zhǔn)對比后進(jìn)行判定，相似度數(shù)值大于初始設(shè)定數(shù)值即判定該零件加裝定位套管與吸振圈簧完整。

1.4 超小光斑數(shù)字激光傳感器LV-NH37

應(yīng)用場景：7-2ST工位檢測錠座的旋轉(zhuǎn)靈活度。

工作原理：LV-NH37發(fā)射器發(fā)出激光照射于錠腳法蘭側(cè)面，接收器接收反射光量并外接FS-11N放大器，顯示光量數(shù)值。由于皮帶驅(qū)動錠腳旋轉(zhuǎn)過程中，激光會照射到圓弧面、平面、螺絲孔、錠鉤槽等不同位置，則接收回的反射光量也不同，放大器顯示數(shù)值不斷變化則代表錠座結(jié)合件旋轉(zhuǎn)靈活。

1.5 高精度激光位移傳感器LK-H057

應(yīng)用場景：7-2ST測量錠腳端面跳動量。

工作原理：7-2ST工位對射傳感器檢測到有料后，氣缸帶動測端跳標(biāo)定塊下落于錠腳端面，皮帶驅(qū)動錠座及標(biāo)定塊一起轉(zhuǎn)動；LK-H057傳感器發(fā)出紅色半導(dǎo)體激光通過柱面物鏡將激光光束擴(kuò)大為條狀，照射于黑色標(biāo)定塊上并產(chǎn)生漫反射，反射光偏折30°后在CMOS上成像，通過檢測激光光束在標(biāo)定塊上固定圓軌跡的最高、最低點(diǎn)數(shù)值，使其相減計算出端面跳動值，并在LK-HD500顯示單元上顯示，當(dāng)端面跳動不大于0.08 mm時顯示為綠色數(shù)字，表示端跳合格。

2 機(jī)器人

機(jī)器人是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器裝置，它能自動執(zhí)行工作指令，靠控制程序和自身動力來實現(xiàn)各種功能，由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個基本部分組成[2]。

JWD6811ES系列錠子錠座自動裝配生產(chǎn)線為滿足零件上料、下料及中途運(yùn)輸功能需求，共使用3個雅馬哈直向機(jī)器人、6個雅馬哈單軸機(jī)器人、3個三菱垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人及2個三菱水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，采用100%速率運(yùn)行，可滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。

2.1 直向機(jī)器人

直向機(jī)器人有x，y，z三軸，應(yīng)用于1-1ST彈性管錠底的上料、2-1ST軸承座上料以及6-6ST錠腳上料工位。直向機(jī)器人通過組合單軸機(jī)器人形成三軸，固定z軸滑臺，采用高剛性導(dǎo)軌，通過伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)器人手臂的高速運(yùn)動和精準(zhǔn)定位抓取，最高速度可達(dá)1200 mm/s，可實現(xiàn)±0.01 mm的精準(zhǔn)定位。以1-1ST彈性管錠底的上料為例，通過手持控制器調(diào)試雅馬哈機(jī)器人夾爪至合適的零件抓取位置，確定長方形料框的四角x，y，z坐標(biāo)，通過x=12和y=12的陣列，實現(xiàn)料框144個零件抓取點(diǎn)的精確定位，保證零件投放順利。

2.2 多關(guān)節(jié)機(jī)器人

多關(guān)節(jié)機(jī)器人分為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人有6個自由度，應(yīng)用于1ST轉(zhuǎn)盤→2ST轉(zhuǎn)盤彈性管錠底的運(yùn)輸、7ST轉(zhuǎn)盤→8ST轉(zhuǎn)盤錠座的運(yùn)輸及8ST轉(zhuǎn)盤錠座的下料運(yùn)輸。水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人有4個自由度，應(yīng)用于5ST轉(zhuǎn)盤→6ST轉(zhuǎn)盤錠膽的運(yùn)輸。

多關(guān)節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)按照輸入程序，對驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號并進(jìn)行控制，驅(qū)動系統(tǒng)通過動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)靈活生成空間軌跡，快速完成各種復(fù)雜動作；運(yùn)動快速、平穩(wěn)、重復(fù)精度高，可充分滿足6 s的生產(chǎn)節(jié)拍需求。

以7ST轉(zhuǎn)盤→8ST轉(zhuǎn)盤錠座的運(yùn)輸為例：三菱RV-7FLL-D型垂直多關(guān)節(jié)六軸機(jī)器人通過編程確定P0待機(jī)點(diǎn)、P1取出點(diǎn)、P30和P32途中經(jīng)過點(diǎn)、P2投放點(diǎn)的坐標(biāo)位置，分別設(shè)定取出點(diǎn)、投放點(diǎn)上方距離值以確定P11和P12點(diǎn)坐標(biāo)位置，通過手持控制器示教輸入固定機(jī)器人運(yùn)動路徑，確定其運(yùn)動姿態(tài)和軌跡，將程序信息自動存入程序存儲器中。實際傳輸時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作，最終依次按照P0→P30→P32→P11→P1→P11→P32→P30→P12→P2→P12→P30→P0順序完成單周期運(yùn)輸功能。

3 伺服電缸

伺服電缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品。它將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，將伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精確轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)數(shù)控制、扭矩控制轉(zhuǎn)變?yōu)榫_速度控制、位置控制和壓力控制，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)壓配[3]。

JWD6811ES系列錠子錠座的自動裝配生產(chǎn)線采用新東伺服電缸進(jìn)行壓配，應(yīng)用于1-7ST彈性管錠底結(jié)合件包邊、2-4ST軸承座彈性管壓配、3-4ST壓軸承、3-9ST軸承座包邊及6-8ST錠膽錠腳壓配。經(jīng)過多次驗證，設(shè)置最理想的電缸壓力、速度等參數(shù)，在電缸調(diào)試軟件界面實時顯示壓力位移曲線，以壓配過程各階段壓力與位移構(gòu)建的矩形區(qū)域作為有效判定條件，實現(xiàn)一致性、精準(zhǔn)化壓配。以6-8ST錠膽與錠腳壓配為例：伺服電缸通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速以18 kN的力均勻下壓，但初始零件的結(jié)合力須小于1kN，否則判定為NG；壓配中段在48mm～49 mm，壓力必須達(dá)到2 kN以上；最后壓配完成在49 mm～50 mm，壓力須達(dá)到18 kN～25 kN，最終形成的監(jiān)控曲線須依次經(jīng)過壓力和位移構(gòu)成的矩形區(qū)域，才會判定為合格品，繼續(xù)向下流轉(zhuǎn)。其應(yīng)用曲線如圖1所示。

圖1 伺服電缸6-8ST錠膽結(jié)合件與 錠腳壓配應(yīng)用曲線

4 PLC編程

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，采用可編程序存儲器存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，通過數(shù)字式、模擬式輸入和輸出，控制生產(chǎn)過程。

JWD6811ES系列錠子錠座結(jié)合件自動裝配生產(chǎn)線采用GX WORKS2軟件實現(xiàn)三菱PLC程序編制，充分考慮結(jié)合件在裝配過程中的各種邏輯情況，實現(xiàn)實時剔除和合理裝配。

如：各工位光電傳感器常開觸點(diǎn)信號串入總線，檢測有無零件是后續(xù)裝配動作執(zhí)行的先決條件；直振料道光纖傳感器常開觸點(diǎn)后，接料盤振動器置位信號，當(dāng)直振料道缺料信號導(dǎo)通才會使料盤開始振動上料；錠膽結(jié)合件測外圓錐跳動數(shù)值比較信號后接機(jī)器人程序執(zhí)行路徑，當(dāng)跳動量不大于0.059 mm時機(jī)器人執(zhí)行1號程序段并將零件放入下工位，否則執(zhí)行2號程序段將零件放入待修料盒；雅馬哈直向機(jī)器人夾爪氣缸磁性開關(guān)信號后接計數(shù)器指令，每有1次空抓高電平脈沖，計數(shù)器值增加1，到達(dá)5后觸發(fā)報警指令；真空吸附常閉觸點(diǎn)后接通電延時指令，吸附波形圈動作完成，500 ms后翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)延遲翻轉(zhuǎn)避免打料；壓配工位位移到位和壓力合格信號串聯(lián)同時觸發(fā)高電平后，判定OK信號才被置位進(jìn)行后續(xù)裝配動作；料盒排出提升機(jī)動作信號與氣缸定位信號互鎖，保證手動狀態(tài)下只有提升機(jī)上升到位、托住料盒后，氣缸定位桿才可以縮回……通過一系列編程邏輯性充分考慮，最終實現(xiàn)成套錠座的合格裝配，保證了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。

5 結(jié)語

經(jīng)緯JWD6811ES系列錠子錠座的自動裝配生產(chǎn)線依靠電氣控制系統(tǒng)，全面采集有效信息，科學(xué)測定關(guān)鍵尺寸，合理進(jìn)行邏輯防錯，最終控制設(shè)備整線流程完整運(yùn)行，實現(xiàn)6 s的快速生產(chǎn)節(jié)拍要求，下線錠座滿足工藝質(zhì)量要求，整個裝配達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，提升錠子品質(zhì)一致化。