基于PLC的桌面型全自动锁螺丝机控制系统设计

覃羡烘 黄永程 杨斌

摘 要：本文从机械系统结构、控制系统硬件构建、控制系统软件设计、报警系统、通信等方面，对桌面型全自动锁螺丝机进行了详细的介绍，对自主开发的自动锁螺丝设备，设计了基于可编程控制器（PLC）的控制系统。该系统融合了视觉定位、伺服驱动和可编程等技术。该设备参数调节方便、运行可靠、操作簡单，解决了自动化程度低的可题，节约了时间和劳动力，大大提高了产品生产效率。

关键词：PLC；桌面型全自动锁螺丝机；控制系统；可编程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.004

1 前言

自动锁螺丝机也叫自动送锁螺丝机、自动拧螺丝机、自动螺丝机、自动打螺丝机、自动螺丝紧固系统等。目前现有的手持式自动送锁螺丝机，虽然可以解放一只手出来，但仍然需一只手提起起子对准螺丝孔位锁螺丝，人工对准孔需要很丰富的经验，也会产生一定的误差；全自动送锁螺丝机，虽然在手持式自动送锁螺丝机自动送料基础上又添加了机械臂或流水线、工作台、自动控制定位等功能，是送锁螺丝机的TOP产品，但是它结构复杂，成本比较高。所以，在制造成本和可编程方向有很大发展空间。本文针对这个问题，在原有的全自动送锁螺丝机基础上进行改装，使用可编程控制器（PLC）来设计自动拧紧螺丝，节约人工成本又提高了生产效率。

2 全桌面型自动锁螺机概述

自动锁螺丝机在国内外已得到广泛应用，分为手握式、平台走程序式、直锁式、拔叉式、转盘循环式等结构。目前在不少企业应用前景十分广阔，主要应用于汽车零部件生产、电脑、显示屏、电机、灯具、手机、打印机、电路板、电池、仪表等的自动组装，可以大大提高生产效率，降低生产成本，提高可靠性。

桌面型自动锁螺丝机有以下一些优缺点：由于其单人即可高效操作，一人相当于多人的效率，所以节省成本；其可靠性很好，一天可工作20小时以上；对于锁同样螺丝的产品，只需更换旋具，可锁不同产品，通过简单编程，通用性高；采用高精密度轨道设计，由机器作业，杜绝了人为因素带来的不良影响，有着良好的稳定性；具有漏锁/浮锁滑牙检测功能，客户可以选配；只要螺丝在规定的范围内可以通用；灵活性强，对于更换不同的产品，只需更换夹具和调用相对应程序组即可[1]。然而由于其自动化程度较高，同时也带来了如扭力不当造成起子头磨损、滑牙，轨道卡料、螺丝漏送或者一次送料过多的等问题。因此，螺丝机的设计及改进要着重解决这些实际问题。

桌面型可编程全自动锁螺丝机，能完全解决了上述问题外，还解决了产品螺丝孔位高低不同没法同时锁螺丝的问题，批咀不会直接碰到产品表面，不会刮花产品。完全颠覆了传统自动锁螺丝机的工作原理以及解决了只能打同一个平面螺丝的问题，抛弃了振动盘及推料器，发扬了传统自动锁螺丝机的优点，并克服了所有缺点，使得自动锁螺丝机更轻便、安全、稳定、快捷、低噪音、低能耗。

3 硬件设计

桌面型自动送锁螺丝机在进行拧螺丝前需要将螺栓分离开来并输送到指定位置，因此要先设计分料机构和下料机构。根据工艺要求，需要电动螺丝刀上下移动调节距离，以方便更换工件和调节不同工件间的误差，因此需要一个气缸来控制电动螺丝刀的上下移动。为了提高生产效率，需要夹具来给工件定位。为了降低返修率可以在螺栓传动管间加传感器来检查是否有螺栓通过，如果有则可以进行下一步工作，如果没有就需要将信号传送给PLC，PLC通过分析计算给分料机构和下料机构的气缸下达命令重新输送螺栓。因此为了实现可编程全自动锁螺丝机的自动功能，就必须有PLC、电控箱、控制器和控制面板。将分料机构、下料机构、PLC、控制面板和电动螺丝刀放在机架之上，把电控箱和控制装置放在机架内部，将整体机器立起来放，这样既节省了空间又使得整个机器显得紧凑、美观。桌面型可编程全自动锁螺丝机整机示意如下图1所示。

桌面型可编程全自动锁螺丝机需要外接气管，通过送料系统、分配系统、锁付系统、三轴平台可编程系统四部分完成螺丝锁付。所有动作完成均由设备本身程序控制。各系统部件均需要按照实际螺丝规格、待锁付位置的角度和尺寸等实际情况定制，均为非标准化部件。锁螺丝过程采用涡轮方式上料将螺丝排序到振动导轨上，并输送到螺丝分配系统，通过分配系统分配螺丝并通过气管压力将螺丝送到锁嘴，由电动螺丝批将螺丝锁入产品。

桌面型可编程全自动锁螺丝机锁步骤：

本自动锁螺丝机控制系统主要由PLC、CCD图像传感器定位[2]、1个伺服、4个气缸等组成。其硬件组成，如图2所示。通过分析自动锁螺丝机的工艺流程，根据系统的功能需求和系统控制信号的数量，选择三菱系列FX2N型模块，采用1个PLC作为控制主机，有2个高速脉冲输出点，通过输出高速脉冲对伺服驱动器进行控制可以控制四个伺服，脉沖的频率、冲数及加减速时间可以改变伺服电机的速度和位置。PLC与伺服之间通过RS485连接，进行MODBUS通信配置[3]，可快速读写伺服的通信数据。

4 软件设计

控制系统的软件设计由PLC程序设计和人机界面程序设计两部分组成[4]。本文以在工作面板上四角各打一个螺丝进行PLC程序设计为例。

PLC程序设计：PLC程序设计是核心，系统PLC程序由一个主程序和1个子程序组成。子程序是四个自动锁螺丝定位控制程序。主程序是核心，负责系统初始化和CCD数据采集，负责系统子程序调用，负责与H1M的数据交换。

主程序：

PLC的I/O表如下表1所示。

本设计完全取代一个或多个员工工作，只需一个按键，机器按照事先编辑好的程序自动锁完待锁产品上同种规格的螺丝。员工只需要把装配好的产品放上置具按下起动键就即可，而且定位精准，误差±0.02mm。操作简单，程序带示教系统，编程时，只需要带着机器把几个螺丝孔的位置确定好，桌面型可编程自动锁螺丝机可以自动学习记录锁螺丝过程，自动完成锁螺丝的所有动作。从取料到螺丝锁紧、产品输出，全程不需要人工干预。不会因为手取螺丝时产生的污迹对产品产生二次污染及手出汗沾污螺丝使它更易生锈。设备有多重报警和防呆功能，避免螺丝漏锁造成的产品不良，比人工锁螺丝更加严谨，缜密。避免了人工着力轻重不一的现实，机器会按设定好的扭矩和和下压力进行锁付螺丝操作，产品一致性好。通用性强，对螺丝长短没特殊要求，只要螺帽接近或略小就可以通用，如果螺丝差距太大，只需要更换批嘴和相应的供料系统就可以，大大提高了生产效率。

5 结语

本设备已成功用于实际生产。经过运行观察，系统运行稳定可靠。应用PLC实现自动锁螺丝控制系统的开发，能够满足桌面型全自动锁螺丝机构和功能的要求，同时具有操作系统简单，维护方便，精度高，通用性强，对工人低要求，低成本等优点，产生了较大的社会效益和经济效益，具有较好的推广价值。

参考文献：

[1]何俊.多轴自动螺丝机的机械设计及控制系统研究[D].南京：东南大学，2012.

[2]王士绅，隋修宝，陈钱，顾国华.高速高清CCD自适应相关双采样技术[J].红外与激光工程，2014，1（34）：155-159.

[3]胡文翔，蔡政，郭伟玮等.面向RS485控制网络的 Modbus协议扩展及应用[J].自动化仪表，2013：4（34）：59-62.

[4]廖常初.PLC编程及应用（第二版）S7-200[M].机械工业出版社，2005.

作者简介：覃羡烘（1983-），女，广西平南人，工程硕士，讲师，数控铣工高级技师，研究方向：机械工程。