汽车座椅滚珠装配控制系统的设计

顾文斌, 许海涛, 王 强

(河海大学机电学院，江苏 常州 213022)



汽车座椅滚珠装配控制系统的设计

顾文斌, 许海涛, 王 强

(河海大学机电学院，江苏 常州 213022)

针对汽车配件生产中装配效率低、生产成本高等问题，设计了一种圆盘式多工位全自动装配设备，并以可编程逻辑控制器为核心，构建了本设备的自动控制系统。该设备符合柔性装配的发展要求，具有结构简单、操作方便和实用直观等特点。

汽车配件；柔性自动装配；可编程逻辑控制器；控制系统

目前国内中小汽配生产企业汽车座椅导轨滚珠装置的装配基本上由人工完成，大量人工的使用导致生产成本高昂，并且装配工作是一个繁琐的、机械的重复性很强的工作，工人长时间重复一个动作，极易疲劳，从而影响生产效率和产品质量。据统计，在现代制造业中，装配工序所用的时间占到整个产品制造所用时间的50%～60%，装配工作量约占整个产品制造工作量的30%～70%[1-2]。

国内外早已出现了不少类似功能的自动化装配设备，但设计时其功能多偏向于适合大中型企业大批量生产使用，并且还存在着冲击力大、维护费用高、生产成本高等问题，这对于追求低成本的中小企业来说并不适用[3-4]。因此，为改变中小企业汽车座椅导轨滚珠装置由人工装配的现状，提高装配的品质与效率，本文设计了一种汽车座椅导轨滚珠自动装配设备。

1 汽车座椅滚珠自动装配设备的结构设计

汽车座椅滚珠自动装配设备由机架、送料机构、转盘与柔性夹具、推杆和步进电机等组成，其结构如图1所示。

送料机构采用的是振动盘，它是保持架送料设备，负责把待装配滚珠的保持架有序地排列起来，将其送入工位1，由工位1处的推杆将其推入转盘上的柔性夹具中。

图1 汽车座椅滚珠自动装配设备的结构

转盘采用回转圆盘式工作台，工作台上设置了4个工位，分别实现工件有序导入、滚珠精准导入、有效冲压和成品导出4个功能。工作台上布置了12个通用夹具，通过夹具与旋转工作台的配合可以高效率完成多个工件同时装配滚珠的工作，实现了时间利用的最大化，提高了生产效率。

柔性夹具的结构如图2所示。把位于夹具偏下位置的夹紧板固定在一个可调节的螺杆上，通过调节螺杆长度以夹持不同尺寸的工件；通过调节夹持滑块在燕尾槽中的位置以及可伸缩螺杆的长度，可以改变工件的加工位置；同时在夹持块部分外加套筒，可以解决不同型号滚珠的装配以及装配深度变化的问题；设计防飞挡板主要是为解决转盘工作时离心加速度对加工精度的影响。

图2 柔性夹具结构

2 汽车座椅滚珠自动装配设备控制系统设计

2.1 控制系统构成

根据本文所设计的滚珠自动装配设备的结构及布局，本装置的自动控制系统分为5个模块，即送料模块1、送料模块2、装配模块、收集模块和输送模块，如图3所示。前4个模块所控制的动作相对简单，只需要对所选的推杆进行实时控制即可；而输送模块则需要具有较高的控制精度要求，因此选用伺服电机作为其动力。

图3 控制系统构成

2.2 控制系统硬件结构

汽车座椅滚珠装配控制系统硬件结构图如图4所示，以可编程逻辑控制器(PLC)为控制核心，通过串口与上位PC机通信，实现PLC系统的程序编写和实时监控自动装配装置的运行情况；触摸屏为人机交互接口，便于操作人员快速简单地调用各种实时控制指令或进行现场调试、查询故障等[5-7]。

自动装配装置中的各种开关量的输入输出模块则通过数据线接入控制核心PLC模块，根据各传感器获得的信号，控制系统可以作出相应的反应。如各类开关传感器获得的信息可作为启动、复位、报警信号；继电器开合时间可以控制推杆的正反运行时间；工作过程中如果遇到塞料、空料等现象，相应的报警指示灯就会闪烁。

图4 控制系统硬件结构图

PLC选用三菱FX2N系列PLC，编程软件为GX Developer 8.52 ，人机界面软件为SWOPC-FXDU/WIN-C，系统中文平台为Windows 2000。

2.3 控制系统软件流程

设备控制系统的主要控制流程为装料完毕后启动振动盘，当钣金件到达工位1时，接近开关输入控制器准备信息。由于步进电机存在容易失步的缺点，因而需先将步进电机和4个工位处的推杆复位，然后各工位的推杆依次工作：工位1处的推杆将工件推入夹具中，工位2处的推杆将抽板推至与夹具滚珠通道对应处再把滚珠送入夹具中，工位3处的推杆推动冲压头，完成滚珠的装配，工位4处的推杆将夹具中完成装配的工件推出夹具送入成品通道。装配工作完后推杆复位，回转工作台旋转30°，进入下一个工作节拍。在工件进料口、出料口和冲压头部位设置接近开关和光电开关，一旦出现工件没有输送到位或冲压头击打在夹持块上的情况时，即停止工作和报警处理，从而避免机器空运行和损坏夹具。其控制软件流程如图5所示。

图5 系统软件设计流程

2.4 主程序流程

控制系统的主程序包括初始化、工作模式选择、检查复位、急停/停止处理和运行控制等子程序。运行控制部分协调转盘与工位的位置关系，支持4个工位同时工作，间歇完成工件、滚珠的送料、冲压、导出工作。其运行控制流程图如图6所示。

图6 运行控制流程图

2.5 触摸屏界面的设计

触摸屏界面主要包括操作界面、状态显示界面、参数设置界面和统计界面等，软件面板主界面如图7所示。

图7 软件面板主界面

操作界面包含了手动模式、单步模式以及循环模式，分别对应着调机、单步和大规模工业生产的需求。在面板上还设置有软件开关、复位和急停功能按钮。状态显示界面用于显示设备的运行情况，如果系统出现故障可以给出故障报警和出错显示，且报警灯闪烁，为及时排除故障提供帮助。统计界面用来记录并分析设备的工作状况，包括装配数量、合格品率等，为生产管理提供依据。参数设置界面提供装配件型号的选择，工作台、振动盘速率的改变等等。

使用专用软件在计算机上完成触摸屏画面设计后，通过计算机的RS232串行口下载到触摸屏。PLC对触摸屏数据库进行实时读写，完成两者之间的信息交互。

3 结束语

汽车座椅导轨滚珠自动装配设备运用柔性装配及机电一体化技术，结构简单，自动化程度高，创新性和可行性均较好。可编程逻辑控制器凭借其高可靠性和抗干扰能力强等优点，极大地提高了控制系统运行的可靠性；触摸屏作为人机交互界面，提供了良好的操作平台。系统采用可编程逻辑控制器技术和人机交互技术协同设计，提供了便捷的实时监控功能，增强了控制系统的可操作性和灵活性。

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[3] 李军,徐明强. 基于价值流的汽车座椅滑轨生产线分析与改善[J]. 工业工程与管理，2008(1):122-126.

[4] 徐秀娟,董继先. 单片机控制自动装配机设计[J].机械，2004(8)：44-46.

[5] 廖常初. PLC的发展趋势[J]. 电气时代，2003(12)：54-56.

[6] 阎坤,田景峰. 自动化设备及生产线调试与维护[M].北京:高等教育出版社,2013.

[7] 魏学业. PLC应用技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社，2013.

The assembly control system development of the auto seat ball

GU Wenbin, XU Haitao, WANG Qiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Jiangsu Changzhou, 213032, China)

In order to solve the low efficiency of manual assembly and high cost problems in the manufacturing of auto parts, it proposes a kind of automatic equipment with round table and multistage. It uses PLC as the core control device, and designs the automatic control system. This system meets the requirement of flexible assemble, and has the advantages of simple structure, convenient operation, practicality etc.

auto parts; flexible automatic assemble; PLC; control system

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.011

2015-07-22

顾文斌(1980—)，男，江苏连云港人，河海大学讲师，主要研究方向为机电一体化、智能控制算法等。

TP278

B

2095-509X(2015)09-0040-04