基于PLC控制的多功能双向自动压装机设计

陈慧蓉，蒋 玲，张 超

(1.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241006；2.杰锋汽车动力系统股份有限公司，安徽 芜湖 201107)

市场上的压装机功能单一，压装汽车催化器的载体和压装汽车消声器的内组件需要在两套不同的压装机，而且驱动系统主要是油压系统，对载体或内组件在压入筒体中的位置精度控制不高。如果载体在筒体中位置不够准确，在旋压过程中易造成载体的损坏；如果内组件在筒体中的位置不准确，就会造成内组件进出气管口漏出消声器筒体的长度无法控制一致，从而影响下一道工序焊接质量，造成不必要的报废，增加了企业的生产成本。

多功能双向自动压装机是在此背景下开发设计的，能够满足不同产品可以在同一台设备上压装的要求，解决了汽车催化器的载体或汽车消声器的内组件在压入筒体中位置控制精度不高的问题，增加了设备在压装过程中的实时监控功能，遇到不合格品能够自动识别报警。该设计已获得实用新型专利(专利号201521082571.0)[1]。

1 设计方案

1.1 系统结构组成及技术方案

多功能双向自动压装机用于压装汽车催化器的载体和汽车消声器的内组件，这种多功能具有箱体；设置在箱体中部附近的筒体支撑架，筒体夹持在筒体支撑架上；筒体支撑架上下两侧分别设置上压入模具和下压入模具，上压入模具和下压入模具能够在齿轮和齿条机构驱动机构的带动下沿着导轨上下移动；上压入模具和下压入模具的其中一个是载体压入模具，另一个是内组件压入模具。箱体上还设有触摸屏。筒体支撑架上设有视觉传感器。双向自动压装机的结构示意图如图1所示[1]。

图1 多功能双向自动压装机的结构示意图注：1.箱体，11.导轨，2.筒体支撑架，3.上压入模具，4.下压入模具，5.触摸屏，6.视觉传感器。

包括设备的机架机构、伺服压入机构、夹持机构、载体压入模具、内组件压入模具、电控系统、气动系统等组成。机架机构是该装置的最基本机构，支撑伺服压入机构、夹持机构、模具机构、电控箱等；伺服压入机构是该装置的动力驱动机构，将载体或内组件精准的压入筒体中所要求的位置；夹持机构是实现对筒体定位夹持的功能；模具机构是针对不同产品分为载体压入模具和内组件压入模具；电控系统是该装备的中枢神经系统，对这个装备动作进行统一协调，按规定要求进行动作；气动系统是给夹持机构提供动力的。

1.2 气动控制

该多功能双向自动压装机的夹紧机构采用气动控制，避免使用液压驱动而导致的设备泄漏油的问题，其执行机构选用双作用气缸，因此控制它们工作的电磁阀需要有二个工作口和二个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。气动控制回路的工作原理如图2所示。1Y1为控制夹紧气缸运动的二位五通单电控电磁阀，由PLC开关量输出端口控制电磁阀线圈的通断电，从而控制夹紧机构与筒体之间的夹紧与松开，实现夹紧机构对筒体定位夹持的功能，1B1、1B2为安装在气缸极限工作位置上的磁性传感器。通常这个气缸的初始位置设定在缩回状态，夹紧机构处于松开状态。[2—4]

图2 气动控制回路的工作原理图

1.3 电气控制

电气控制系统采用日本三菱品牌FX3U-48MTPLC作为主要控制元件，触摸屏为北京昆仑通泰TPC7062TI品牌，日本三菱品牌伺服驱动器MR-JE-10A驱动器和HF-KN13J-S100 AC伺服电动机，采用脉冲串+方向信号脉冲输出形式，PLC通过外部硬件接线和软件程序设计可实现对压装机的I/O操作，伺服驱动器的指令脉冲串输入脉冲数PP(CN1-10)和指令脉冲方向输入NP(CN1-35)与PLC输出端相连，伺服开启SON(CN1-15)、强制停止EM2(CN1-42)正转行程末端LSP(CN1-43)和反转行程末端LSN(CN1-44)与D0COM(CN1-46)相连，外加伺服驱动器的控制回路电源接线：20(DICOM)与12(OPC)短接后，接到24VDC正极，接到0V，可实现对伺服电机的位置控制。触摸屏与PLC的RS232端口连接，实现PLC与触摸屏之间通信。[2，5]

人机界面的设计：按照压装机的手动操作、回原点操作、自动运行等工作模式、PLCI/O画面、参数设定、更换模具、压力与位移关系的曲线图、异常画面显示等环节均在控制屏上可视化，并最终实现压装机工作状态实时动态显示，增强人机交互性。图3设备主选择界面。

图3 设备主选择界面

程序设计方面：根据多功能双向自动压装机的逻辑动作顺序，采用三菱SFC编程语言及程序步自带的互锁跳转功能，实现压装动作，控制程序结构清晰，调试、故障诊断和维修都很方便。[3][5]

运用视觉防错系统自动识别筒体所放置、在载体或内组件压入的过程中通过压力传感器实现压力的实时监控，在触摸屏上显示出压力与位移关系的曲线图、通过视觉传感器来识别产品的进、出气方向等一系列防错措施，有效提高设备操作的可靠性、智能性，实现合格品和不合格品的有效分离。[6]

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理

多功能双向自动压装机的特征在于：按下启动按钮后，首先视觉系统对筒体放置位置进行检查，若筒体放置位置正确，夹持机构气缸收缩，主齿条后退带动齿轮顺时针转动，齿轮又带动被动齿条移动，从而使夹持机构抱紧筒体，筒体抱紧传感器灯亮后，上压入模在伺服电机的驱动下将上部的载体或内组件压入筒体中规定位置后，停止不动，下压入模在伺服电机的驱动下将下部的载体或内组件压入筒体中规定位置，然后上模上升，下模下降到预定位置停止，夹持机构松开，取出压装好的筒体组件，并进入下一循环动作。如果只有一个载体或内组件，则通过程序选择即可实现上模移动，下模不动的方式进行压入。压入过程中，在规定区间内若压装力低于或高于规定值，设备都会报警而停止压入，并记录不合格品数。工件只有在按下不合格产品解锁按钮设备才能回归原位，松开夹持机构，取下工件，实现了不合格品与合格品的分开。通过该设备将原先多次压装作业，变成了现在一次压装完成。其结构图、夹紧机构和磨具机构分别如图4、图5、图6所示。达到催化器的载体压入和消声器的内组件压入能在同一台设备上完成，且设备能显示监控压装过程封装力，在规定的区间内若封装力低于产品封装要求的设定值，设备会自动报警并停止压入，并记录产品不合格数；同理，在规定的区间内若封装力高于产品封装要求的设定值，设备也会自动报警并停止压入，并记录产品不合格数。另外，设备还有视觉防错系统，自动识别筒体所放置的位置是否正确，筒体位置封装不准确设备不能启动，提升了设备的智能性。通过伺服驱动提升了载体或内组件压入筒体位置的精准性。

通过PLC控制伺服驱动系统对载体或内组件压入筒体进行了精确的定位，对压入载体来说，消除载体在下一道旋压工序损坏的风险；对于内组件而言，消除了内组件进出气管口伸出筒体长度不一的问题，使得内组件伸出筒体长度一致，确保了下一道焊接工序不会产生焊接缺陷，提升了产品的品质。

图4 压装机结构图

图5 夹持机构

图6 模具机构

2.2 性能分析

该设备既能一次压入一个汽车催化器的载体，也能一次压入两个载体；通过更换模具还可以对汽车消声器的内组件进行压装，实现了不同产品可采用同一台压装设备，降低了企业的制造成本，提升了设备的利用率。由于采用伺服驱动系统实现了载体或内组件筒体中的精确定位。在载体或内组件压入的过程中通过压力传感器实现压力的实时监控，在触摸屏上显示出压力与位移关系的曲线图，全过程控制可以在作业进行中的任意阶段自动判定产品是否合格，在规定的区间上如果压力超出或低于设定值，设备会自动报警，100%实时去除不良品，从而实现在线质量管理。通过视觉传感器来识别产品的进、出气方向，提升了设备自动防错能力，消除了人工装配过程中易出错的现象，极大的提升了产品的性能[1]。压装力、压入深度、压装速度、保压时间等全部可以在触摸屏上进行数值输入，界面友好，操作简单；通过外部端口连接计算机，可以将压装数据存贮在计算机中，保证产品加工数据的可追溯性，便于生产质量控制管理；由于机器本身就具有精确的压力和位移控制功能，所以不需要另外在工装上加硬限位，加工不同规格产品时只需调用不同压装程序，因此可以轻松地实现一机多用和柔性组线。

结语

多功能双向自动压装机根据用户的要求进行研发设计的，采用机、电、气一体化设计、选用三菱FX3U系列PLC，TPC7062TI触摸屏、双作用气缸和单电控二位五通电磁阀三菱伺服驱动器和伺服电动机；设备具有手动、自动、异常情况报警和在线显示等功能。该设备将原先的催化器载体和消音器内组件所需两台设备经过整合设计变成一台设备，节约了生产成本和设备投入，设置一系列防错措施，实现了合格品和不合格品的有效分离，实现产品质量在线管理，该压装机用于汽车消声器和催化器的压装,也可用于发动机组件压装(缸盖，缸套，油封等)转向器组件压装(齿轮，销轴等)传动轴组件压装，齿轮箱组件压装，刹车盘组件压装等[1]。

该多功能双向自动压装机自制成本8万元，较某设备制造公司2015年报价30万元，节约新设备采购成本22万。