基于PLC 的轴承自动装配机电气控制系统设计

程 昊，吴何畏

（湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441053）

引言

作为精密的机械基础件，滚动轴承是一种通用性很强、标准化程度很高的旋转支承元件，对主机性能和使用寿命的影响非常关键和重要。其装配是通过一定的方法和步骤，将内圈、外圈、滚动体、保持架等主要零件，按规定的精度、游隙、预紧、清洁度以及振动和噪声等技术要求组装成轴承成品的工艺过程。目前企业生产中依然普遍存在的手工和半自动加工装配情况已经成了进一步提高生产效率和产品质量的瓶颈。自动装配不会因为工人疲劳、疏忽、情绪、技术不熟练等因素影响而造成产品质量缺陷或不稳定。大批量的自动化装配还会可进一步降低生产成本。因此，将现有的设备进行自动化改造或重新设计，提高产品的质量和生产效率，成为了必然的趋势。

1 滚动轴承的装配工艺

滚动轴承的装配是轴承加工当中的重要环节，其装配工艺比较复杂，有精度、游隙、预加载荷、清洁度、振动和噪声等各项技术要求[1]。

各种滚动轴承装配的工序基本相同，以6000-2Z 系列深沟球轴承为例，其装配流程如图1所示。

图1 6000-2Z 系列深沟球轴承装配工艺流程图

2 轴承自动装配系统总体设计

为稳定可靠完成轴承的装配控制功能，提高装配质量和生产效率，考虑到用户和成本等一系列问题，设计了一套经济适用的控制系统。

2.1 系统结构

PLC 控制系统不仅能完成传统继电器控制系统的全部功能外，还可实现模拟量控制、开环或闭环过程控制，以及多级分布式控制。

2.2 总体设计方案

轴承自动装配装置的总体设计方案如下页图2所示。本系统的特点是：由PLC 控制系统完成各工位工序的顺序控制和并行动作协调，生产效率大幅提高；通过伺服闭环控制方式，回转工作台的旋转定位精度可以保证轴承装配的精度要求，同时也满足平稳迅速和安全可靠性的要求。

图2 总体设计方案

2.3 控制系统的硬件选型

2.3.1 PLC 选型

PLC 需要输出脉冲控制步进和伺服电机，结合其他输入/输出装置共计占用输入点43 个，输出点44 个。综合考虑性价比、灵活性等诸方面因素，选择三菱FX2NC-96MT[2]。其输入点输出点各48 个，晶体管输出型，满足设计需求。

2.3.2 伺服系统选择[3]

根据回转工作台的转动惯量及启动力矩，选台达ECMA-C30807ES 电子换向式三相永磁同步交流伺服电机，电压220 V，转速3 000 RPM，功率750 W。

伺服控制器选台达ASD-A0721-AB，功率750W，编码器分辨率10 000 PPR。

光电编码器选台达2 500 PPR 配套专用产品。

2.3.3 其他电气元件选择。

开关电源。因为PLC 选用了晶体管输出型的MT 系列，现场的电磁阀、指示灯以及传感器均采用直流24 V 供电，故选A-250-24 型号，220 V 输入，24 V 输出，输出电流10 A，满足系统要求。

电磁阀。系统中取放和搬运工件由机械手完成，通过电磁阀控制，根据动作要求和输出端对负载的要求，故选SY5120-5GD-01，其线圈电压采用直流24 V。

3 程序设计

I/O 分配表略。

3.1 SFC 程序设计

SFC 即Sequential Function Chart，顺序功能图，具有结构清晰、直观简便、易于阅读和维护等特点。设计的SFC 控制流程如图3 所示。

图3 SFC 控制流程

1）系统启动，检测各工作机构的状态，控制各工作机构处于初始位置。

2）合套。机械手1 和机械手2 分别抓取已选配好的一组轴承内圈和外圈，先后放置到回转工作台上指定工位合套，然后机械手归位。

3）回转工作台伺服电机动作，顺时针转动90°。

4）装球。计数器清零，滚道放下，钢球传送带启动，和前道工序内外圈匹配的一组钢球以一定的速度和间隔沿着滚道滚下。滚道末端安装有挡片，初始位置打在右边，引导钢球进入轴承内外圈左半边的装球位置。当一半的钢球（通过光电开关检测，PLC计数）已经滚入左边分支滚道时，迅速将挡片打到左边，引导钢球进入右半边的装球位置。装球完毕，传送带停止运行，滚道收起。

5）工作台顺时针转90°。

6）内圈拨回中心位置。机械手3 下降到内圈内部后，径向向外拨动内圈使之回到中心位置。然后机械手复位。

7）工作台顺时针转90°。

8）分球与安装上半保持架。机械手5 抓取已装好钢球的轴承放置到分球工作台上，松开夹紧装置即启动分球工作台上的钢球球窝托盘低速旋转一周，使钢球均匀落位分球。托盘启动旋转的同时，机械手5 返回原位，机械手7 抓取一只上半保持架（定位在机械手的上凹模上），并移动到托盘上方。托盘停转后机械手7 将上保持架对位放好，然后机械手复位。

9）工作台顺时针转90°。

10）放下半保持架。机械手4 动作，利用负压抓取一只装好铆钉的下保持架（铆钉头在下，负压防止铆钉脱落），定位在机械手的上凸模上。然后放置到回转工作台的定位凹模上，铆钉处于垂直状态。机械手4 关闭负压空气阀，返回原位。

11）工作台顺时针转90°。

12）合架。机械手6 抓取分球工作台上已装好上保持架的轴承。利用机械手6 的上凹模将上保持架和回转工作台下凹模上的下保持架利用模具对准，铆钉从上保持架的铆钉孔中穿出。

13）工作台顺时针转90°。

14）铆接。上冲头的压力来自主轴顶部的汽缸。打开变向气阀，压缩空气从上进入汽缸推动活塞向下运动，经上冲头压向铆钉杆而成形。完成铆接后变向气阀换向，压缩空气从汽缸底部进入，推起活塞使上冲头返回。

15）工作台顺时针转90°。

16）成品。机械手8 将铆接好的轴承抓取放置到成品检测包装流水线上。

3.2 初始化程序设计

如图4 所示，主程序中根据用户按下的是空载启动按钮还是满载启动按钮，通过对一组计数器置数或清零来控制下面的八个装配工序是依次启动运行还是并行运行。回转工作台每转动一次，接近开关就产生一个计数脉冲。满载启动的时候由于各计数器初始值都已被赋予满值，故下面的八个工序起始状态都满足启动条件，处于并行运行的状态。空载启动时则各工序起始状态依次被激活。

图4 初始化程序

4 结语

在总结国内外轴承自动装配机现状和发展趋势的基础上，结合企业原有的装配生产情况，利用成熟的可编程控制器技术及伺服控制技术，对轴承自动装配机的电气控制技术进行研究，开发出装配效率高、可靠性好并且操作方便的轴承自动装配机控制系统，通过企业实际应用，设备运转可靠，提高了装配质量和生产效率。