YL-335B自动线装配单元创新设计与实现

李志梅 周圣林 赵振鲁

YL-335B自动线装配单元创新设计与实现

李志梅1周圣林1赵振鲁2

（1.沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600；2.亚龙智能装备集团股份有限公司，浙江 温州 325000）

在不改变原有工作站功能的基础上，推出一种全新结构及控制驱动方式的工作站——装配单元Ⅱ。在机械结构上，改变原来装配单元的气动摆台结构，新装配单元Ⅱ采用步进电机＋减速机驱动，装配工位由原来的1个扩至4个，待装配工件能流水线般依次装配，能为自动线整机提供更为灵活多样的实训扩展；在控制系统上，新装配单元Ⅱ的控制器从原来的S7-200 PLC升级为S7-200 SMART PLC，可与其他同类控制器单元进行以太网组网，更顺应工业自动线发展趋势。

自动线；装配单元；SMART PLC；步进电机

引言

亚龙YL-335B型自动化生产线作为全国职业院校技能大赛指定设备，能高度仿真模拟现代生产线实际生产控制过程[1][2]。系统是在铝合金导轨式实训台上安装：供料、加工、装配、传输和分拣5个工作单元。其中，装配单元主要用于将两个分散的物料进行装配[3][4]。原装配单元采用摆动气缸实现芯件转移，在不改变物料配送和装配工艺的前提下，基于步进电机与S7-200 SMART PLC，创新设计一种新型装配单元Ⅱ。一是扩展待装配工位，使自动线整机获得更为灵活的实训项目；二是弥补自动线整机没有步进电机，学生在此设备上接触不到步进驱动知识的缺憾；三是升级控制器，可与其他同控制器工作单元进行以太网组网[5][6][7]。

1 机械结构设计

新型装配单元Ⅱ主要由落料机构、旋转装配机构组成（如图1所示）。落料机构主要由管型料仓、顶料与挡料气缸、电磁阀组、型材托架等组成；旋转装配机构主要由旋转料盘、固定盘、减速机-步进电机组件等组成。其中，固定盘被安装在型材支架上，减速机-步进电机组件通过减速机前端法兰盘与固定盘螺纹连接。旋转料盘8个中心孔与减速机输出轴8个螺纹孔用螺纹连接。这样，步进电机输出动力由减速机减速后即传递到旋转料盘上。

旋转装配机构工作过程：（1）旋转料盘回原点（如图2所示），通过安装在固定盘上的松下PM-L25 U型光电传感器检测到旋转料盘下方安装的T型挡块实现。回零完毕后，旋转料盘刻度线与固定盘刻度线对齐。（2）输送单元送来的半成品工件放进前入料装配台1中。入料检测传感器检测到来料后，步进电机驱动旋转料盘旋转180°至落料机构正下方，由落料机构完成小圆柱芯件的落料，从而完成小圆柱芯件与半成品工件精准的装配动作。装配完毕后，装配台1载着已装配好的工件再旋转回初始位置，等待输送单元抓取移送到其他工作单元。

图1 装配单元Ⅱ

图2 原点检测及校准线

落料机构工作过程：小圆柱芯件预置于落料机构管型料仓内，当系统气源接通后，顶料气缸初始位置处于缩回状态，挡料气缸初始位置处于伸出状态。当需进行落料时，顶料气缸伸出，顶紧次下层芯件，挡料气缸缩回，下层芯件由于重力得以落下，从而实现落料，然后两气缸复位，完成落料控制。

2 硬件系统设计

2.1 硬件选型

随着产品的更新换代，西门子S7-200 PLC逐渐会被S7-200 SMART PLC所替代[8]。考虑有高速脉冲输出的需求，兼顾I/O实际需要点数，本系统控制器选用CPU ST40。该CPU模块本体输出端Q0.0，Q0.1，Q0.3可提供3轴20 Hz～100 kHz高速脉冲输出，Q0.2，Q0.7和Q1.0分别为其方向控制端[9][10]。

步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一[11]。根据驱动机械结构确定运动曲线，计算负荷转矩、负荷惯量、启动转矩等，最终选用Kinco的3S57Q-04056步进电机及配套3M458驱动器。步进电机部分技术参数如表1所示。

表1 3S57Q-04056部分技术参数

2.2 PLC的I/O分配

CPU ST40共有24输入点，16输出点。本系统实际分配使用如表2所示，其中输入点主要用于装置侧传感器检测信号，以及按钮指示灯模块的主令信号的采集；输出点主要用于步进电机脉冲/方向信号、顶料及挡料电磁阀的驱动信号，以及按钮指示灯模块上的状态指示灯等。

表2 PLC的I/O信号分配表

2.3 步进电机驱动接线

根据技术资料[12]，设计CPU ST40与步进驱动器的硬件接线如图3所示。采用ST40的Q0.0端子作为脉冲控制信号，Q0.2端子作为方向控制信号，分别连接至步进电机驱动器Kinco 3M458的PLS+和DIR+端子。步进电机3S57Q-04056三相绕组的六根引出线，分别为红、银白、蓝、白、黄、绿色，按首尾相连的原则连接成三角形后，三根引出线分别连接至驱动器的W、V、U端子[13]，如图4所示。

图3 步进驱动与ST40接线图

图4 3S57Q-04056的接线

步进驱动参数设置如表3所示。步进电机3S57Q-04056额定相电流5.6 A，实际使用时应比额定低一些，故设置为5.2 A。为减少电机和驱动器的发热，可设定静态电流半流，即DIP4为OFF。

表3 DIP开关设置

3 PLC程序设计

3.1 程序结构设计

控制程序结构：主程序MAIN调用3个一级子程序“初始化”、“旋转控制”及“状态显示”，其中“旋转控制”子程序又二级调用“落料控制”子程序。

主程序MAIN主要完成系统启停等主流程控制，包括欠缺料等状态检测、系统是否准备就绪检查、子程序的调用以及系统启动/停止等操作。子程序“初始化”主要完成系统的复位，即旋转料盘回原点。子程序“旋转控制+落料控制”主要完成装配工艺过程的步进顺序控制。其中，料盘旋转控制以及落料控制子程序流程设计如图5和图6所示。

3.2 运动控制向导组态

SMART CPU采用“运动”向导生成子例程实现PTO脉冲输出[14]，以控制步进电机。在STEP 7-Micro/WIN SMART软件中，双击“工具”菜单下面的“运动”选项卡，打开运动控制向导[11]，组态运动轴轴0：

（1）测量系统：选择“相对脉冲”。

（2）方向控制：相位选择“单相2输出”，极性选择“正”。

（3）输入RPS（参考点）：勾选“已启用”，输入选择“I0.0”，有限电平“上限”。

（4）电机速度：MAX_SPEED设为“100000”个脉冲/s，SS_SPEED设为“5000”个脉冲/s。根据3S57Q-04056/3M458矩频曲线图[9]，在扭矩范围内选择系统最大速度MAX_SPEED。启/停速度按MAX_SPEED的5%-15%选择。

（5）电机时间：ACCEL_TIME设为1 000 ms，DECEL_TIME设为50 ms。

（6）参考点：RP_FAST设为5 000 Pulse/s，RP_SLOW设为500 Pulse/s，RP_SEEK_DIR设为“负”，RP_APPR_DIR设为“正”，偏移量RP_OFFSET设为“0.0”度，参考点搜索顺序选方式“2”。

图5 旋转子程序流程

图6 落料子程序流程

此外，存储器分配采用系统自动建议VB93-VB185。组件中子例程选择三个：AXIS0_CTRL启用和初始化运动轴，每当程序扫描时都调用；AXIS0_GOTO命令运动轴按指定速度运行到指定位置；AXIS0_RSEEK用于查找参考点位置。

3.3 步进电机旋转脉冲数计算

步进电机经过减速机减速后，驱动旋转料盘旋转。装配站Ⅱ中选用SKISIA（欧得克）的圆法兰盘式行星齿轮减速机，该减速机减速比为7[15]。旋转料盘的旋转角度、PLC输出的脉冲数以及步进电机细分数三者之间关系如下：

由式（1）和式（2）可得：

上述各式中：P表示PLC输出的脉冲数；表示步进电机旋转角度；表示步进细分数；表示减速机的减速比，R表示旋转料盘的旋转角度。

根据式（3），旋转料盘若旋转180°，当步进细分数为5 000时，PLC输出的脉冲数应为175 000。

3.4 PLC程序编写

系统主程序中启用和初始化运动轴部分编程要点见图7，运动轴回原点子程序见图8。其中，初始化子程序执行结果须返回给调用它的POU，即主程序。所以，在子程序里需定义输出参数型局部变量（如图9所示）。在局部变量表中定义该局部变量时，只需指定变量类型和数据类型，不需指定存储器地址，存储器地址是由程序编辑器自动分配。后面的落料控制子程序同样如此。

图7 启用和初始化运动轴

图8 初始化子程序

料盘旋转子程序中控制运动轴旋转180°编程要点如图10所示，料盘旋转子程序调用落料子程序如图11所示。

图9 初始化子程序局部变量定义

3.5 系统调试

系统实际调试运行时，初始化子程序通过运动轴回原点指令驱动转盘机构回零。回零完毕，经过一定的延时，可以看到，子程序输出参数done位为1。

此外，急停功能是通过在AXIS0_CTRL的MOD_EN参数输入处以及“旋转控制”子程序的调用EN处，两处均串接急停开关I2.2接点实现。所以按下急停时，能够实现紧急情况停止。

图10 料盘旋转180°

图11 落料子程序调用

注意一点：下料工作完成后，需考虑有一段时间的延时，然后再使子程序输出参数“落料完成”为1，以确保芯件落到位后，转盘再顺时针旋转。否则容易出现芯件还没落到位，转盘即旋转，从而造成旋转盘与固定盘之间的卡料现象。

4 结语

新装配单元Ⅱ可使整台生产线具有更灵活开放的控制结构。旋转装配机构中的旋转料盘扩至4工位，待装配工件可流水线般依次装配，配置合适供料与输送单元，可为整机提供更为灵活多样的训练项目。原有分拣单元三相异步电机、输送单元的伺服电机、加之新装配单元Ⅱ的步进电机，能够促进学生多电机驱动控制理论与实践的深入学习。

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Innovative Design and Implementation of Assembly Unit of YL-335B Automatic Line

Li Zhimei1, Zhou Shenglin1, Zhao Zhenlu2

( 1.Shazhou Professional Institute of Technology, Zhangjiagang 215600,China; 2.Yalong Intelligent Equipment Group co.,LTD.,Wenzhou 325000,China )

For YL-335B automatic assembly function, a new type of assembly unit Ⅱ has been proposed and implemented in this paper. Comparisons with the original: 1. Innovative changes are made to the traditional structure, replacing the original pneumatic swing table with stepper motor-reducer drive; 2. The assembly station of rotary plate is expanded from 1 to 4, so the workpiece can be assembled successively, providing a flexible and diverse training projects for the whole automatic line; 3. The controller is upgraded from the original s7-200 PLC to s7-200 SMART PLC, and Ethernet networking can be conducted with other controller units.

automatic line; assembly unit; SMART PLC; stepper motor

文献标识码：A 文章编号：1009－8429(2019)02－0009－07

2019-05-17

2016年江苏省教育厅高校“青蓝工程”资助项目（苏教师〔2016〕15号）；2018年江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队“机电一体化技术专业教学团队”项目。

李志梅（1979－），女，沙洲职业工学院机电工程系副教授；

周圣林（1996－），男，沙洲职业工学院机电工程系2016级机制专业学生；

赵振鲁（1989－），男，亚龙智能装备集团股份有限公司工程师，东盟技能大赛工业自动化项目专家组成员。