PLC在全自动轴承装配机中的应用

　　摘　要：为了研制全自动轴承装配设备并保证其高可靠性，设计了以可编程控制器（PLC）为核心的微电脑测控系统。主要介绍PLC在这套全自动轴承装配机中的应用，提出了研制过程中遇到的主要技术难点以及解决方法。该系统能对轴承内外圈进行高精度的测量，并能实现内外圈和钢球的准确选配，而且具有故障自诊断功能。经过长时间的调试和运行，证明其完全达到了设计所规定的性能指标和要求。
　　关键词：可编程控制器；轴承；测量；控制；自动化；装配
　　0　引言
　　我国的轴承生产长期以来一直采用手工装配，不仅劳动强度大、效率低，而且严重影响产品质量的提高。国内一些大的轴承生产厂家曾经引进国外的轴承自动装配设备，但由于不符合国内的零件工艺水平，这些引进的设备至今都闲置着。因此，研制出符合我国国情的全自动轴承装配设备已成为提高我国工业产品质量水平的一项重要课题。ZDP002球轴承全自动装配机是为了满足我国轴承装配自动化的迫切需要而研制的一套智能设备。它可以将轴承外圈按尺寸大小自动分选入库，库满自动停止外圈分选并自动启动内圈测量机构进行测量、选配外圈并且进行合套和装球。在该套设备的研制过程中，解决了许许多多的技术难题，其中轴承外圈的分选入库和内圈对外圈和钢球的正确选配这两个问题是整个系统能否研制成功的关键。
　　1　系统组成
　　整套设备由一台分选合套机和一台装球机组成。两台机器无论在机械上还是在电气控制上都是连在一起的。两台机器共用了110个执行机构和48个输入元器件，都连接在OMRON公司的C200HPLC可编程控制器上^[1-2，4]。由于一台主机的输入/输出点不够用，又增加了两台扩展单元^[3]，其中包括1个AD转换单元、3个输入单元、2个晶体管输出单元和9个继电器输出单元。控制系统结构如图1所示。 　　2　外圈分选入库准确性的实现
　　机器刚开始工作时首先要进行的是对轴承外圈的分选。外圈分选入库的准确性涉及分选准确性和入库准确性两个问题。分选准确是靠测量精确来保证的。为了保证精确测量，在机械上采用三点定位两点测量的方法。电感测微仪取两个测头信号的平均值，输出给可编程控制器的AD转换模块^[3]，转换出来的数字量与电感测微仪表头指针读数相同。经质量部门检定，该机内外圈测量机构的示值精度和重复精度均在1μｍ之内，分选精度没有问题，剩下的问题就是外圈的准确入库。
　　为适应国内轴承厂家加工外圈沟径工艺水平现状，外圈设40个库，并设有过大过小超查外圈出料口。外圈入库采用及时入库或是记忆待机入库关系到机械结构的复杂程度和电脑程序设计的难易程度。及时入库就是每测量完一个外圈后，通过气缸马上把这个外圈推入它该入的外圈库中。这种方法程序简单、无须传送机构，但在试验时会出现因气缸推入冲击而引起外圈跳起等现象，造成外圈入库不可靠，故不宜采用。待机记忆入库是：当一个外圈经测量后并不马上入库，而是由电脑记忆其该入的库号，电脑等待时机，发出指令打开库门。机械上设置传送外圈的链条，各个库的入口处设立门板，链条上斜面为15°的链槽底部斜向库门。当库门打开时，外圈靠自身的势能作用滚入库中。经试验，外圈滚入时间约占库门开启时间的1/5，入库动作平稳可靠。但实现这种方法的电脑程序比较复杂，因为电脑必须对连续不断测得的外圈参数作准确记忆，而且必须掌握好每一个外圈的入库时机。另外还要对每个库的库存量以及总的测量个数等参数进行计数和显示等。
　　那么怎样才能对每个被测外圈的测量值保持准确记忆，把握好每个圈的入库时机呢?首先我们对外圈的测量值进行分析。由于可编程控制器的AD转换模块不能接收负电压信号，故将外圈沟径偏差为-20μｍ作为0，且分度为1μｍ。这样偏差为-19μｍ的外圈，其示值就是1μｍ，对应的库号为1^#库；偏差为+20μｍ的外圈，其沟径偏差示值就是40，对应的库号为40^#库。
　　明确了库号与仪表示值以及AD转换出来的数据之间的关系，剩下的问题就是如何把每个外圈测量后的这些数据进行处理。处理的方法为：首先将每个外圈的示值与0和40比较，如果测量值显示为0，说明此外圈的沟径偏差过小，发出一个信号将过小出料口所对应的移位寄存器的首位置1；如果测量值大于40，说明此外圈的沟径偏差过大，发出一个信号将过大出料口所对应的移位寄存器的首位置1；如果测量值既不为0也不大于40，说明此外圈是合格外圈，再将该圈的测值与一个表格项比较，此表的内容实际就是40个库的库号，假设测值等于8，结果通道的第7位就会接通。利用这个接通信号将结果通道的内容传送给8^#库所对应的移位寄存器。传送链条每走一步，移位寄存器就向左移一位。每个库门与外圈从测量机构落下的落点之间的距离（相隔的链条移动步数）是可知的。如8^#库，从其库门到外圈测毕，下落点相距11步，那么当8^#库对应的两个移位寄存器移位11位之后，这两个移位寄存器的高位通道的第3位就变成了1。利用这一位由0变1的信号作为8^#库门的开门信号，于是这个测值为8的外圈正好落入8^#库中，同时利用这个开门信号使8^#库的库存量加1。其余库的记忆和入库过程与8^#库相同，这里不一一列举。实际运行表明，只要执行部件工作可靠，用此种方法编出的程序可确保外圈准确入库。
　　3　内外圈自动合套及钢球的自动选配
　　当外圈分选进行到某个外圈库中的外圈数目达到50个时，系统会自动停止对外圈的测量并自动启动对内圈的测量。内圈测量机构与外圈测量机构在构造上大体相同，也是采用三点定位两点检测的方法，而且测量基准相同。经过反复调整试验和质检部门的检定，示值精度和重复精度均满足指标要求。
　　选中外圈的出库也采用记忆待机的方案。内圈经检测后由链条传送，和该链条并行前进着的另外一条链条用于接收和传送出库外圈。一个内圈经检测后，若超差，就将其从超差排料口打出去；若未超差，就要将这个内圈的测值与四组游隙和五组钢球的偏差值相运算。这样，每个合格的内圈都有20次选择外圈的机会，如果20次当中连1次也没选上，就将这个内圈从合不上套的料口打出去。若经过20次试合套找着了能匹配的外圈（可能不止一个），还要看这些被初选上来的外圈库中有没有外圈，如果它们的库存量为0，也要将这个内圈从出料口打出去；如果经初选选出来的这些外圈库中有外圈，情况就复杂一些，因为Z终只能选一个外圈出来合套。对于它的选择还有个均衡库存量的问题，因为对于外圈分选来说，任一外圈库存满时就会自动停止外圈测量。要是随便找一个能合上套的外圈库中的外圈合套的话，就可能造成库满的外圈选不上，库存量很少的外圈被选上，Z后造成有的库库存量变为0，有的库却一直库满，使合套率大大下降。为了避免这种情况发生，采用“择多选圈”的原则。即在经初选上来那批外圈库中作比较，看哪个库的库存量Z多，Z后把库存量Z多的那个库中的外圈打出来合套。这样，对于一个合格内圈来说，存在着初选和终选两次选择外圈的过程。故内圈合套程序比外圈分选复杂得多，由于程序太大，这里无法列出，只能给出流程图。如图2所示为初选程序流程图^[5-7]。 　　从图2可以看出，内圈测量值与四组游隙值的运算也可以用循环的方法实现，但这样做会增加程序的扫描时间，因为每一次换球循环的过程中都要进行4次加1运算和比较判别，参加比较的数是一个运算值，设此值为X，游隙值为K，则
　　X=d_内+K-2d_球
　　如果X=5，则通过表比较就会把5^#外圈库选上。经过5次换球循环，20次试合套，就会有若干个外圈库被选中。当然假如所用的球和预置的游隙值不合适的话，也有可能连1个库都没选中。为了提醒操作员及早发现问题并及时进行调整，程序保证在连续出现5次合不上套的情况时自动接通“合套率低”预警灯。经初选选中的外圈库还要经过Z后的筛选，终选程序流程如图3所示。 　　终选程序中需要编写一个排序程序，排序法采用常规的冒泡排序算法，但由于设计的变量较多，排序程序比较复杂。程序中参加排序的数据有外圈库号、库存量和参加选配的球组。在对库存量排序的过程中不能把库号和球组搞混，任何时候三类数据都必须一一对应。此外，虽然初次试合套Z多只能有20个外圈被选中，但它们的分散度可能跨越40个库，所以排序用的循环次数还必须是40。这样一来，排序程序所用的扫描时间就比较长。经测试，排序时间约为1.5s。
　　经排序找出Z终参加合套的外圈后，比较步数和移位开门等程序与外圈分选相似，这里不再赘述。
　　4　结束语
　　总之，从外圈分选到内圈测量Z终选中外圈和钢球并合套和装球，无论是机械结构还是电气以及软件都是相当复杂的。但经过我们精心的研究和设计以及反复的调试和改进，所有的技术难题都得到了圆满的解决。由OMRON C200H型PLC为核心的自动控制系统在本套设备中运行可靠，实现了高度的自动化和一定程度的智能化，大大提高了劳动生产率，降低了工人的劳动强度。
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