基于PLC的脚轮轴承自动装配机及控制系统设计

尹凌鹏，殷小亮，邓玉娟，郑丽文，张新星

（1.衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000；2.嘉兴学院，浙江 嘉兴 314000）

脚轮在工业搬运、医疗器械及日常生活中应用广泛，据《2017—2023年中国脚轮行业产销态势及调查报告》显示，2016—2017年我国脚轮行业需求量约81.92亿个，行业销售市场规模约241.63亿元，同比（181.82亿元）增长了32.9%[1]。脚轮行业市场需求在不断增大，但是目前脚轮生产大多采用手工或半自动化的组装方式，特别是脚轮中心轴承的装配过程最为繁琐，需要使用相应的工具进行人工组装，效率低[2]。因此，设计了一种新型脚轮轴承自动装配设备，以代替人工完成轴承装配，包括自动入料、装配、出料的整个工艺过程。

1 脚轮结构及脚轮轴承

脚轮包括活动型脚轮和固定型脚轮2种，主要由支架和单轮构成（图1）。单轮装在支架上，支架上预留有若干安装孔，通过螺钉等使支架与设备相连接，脚轮通常安装在设备底部，实现设备的灵活移动。

图1 脚轮结构Fig.1 Structure of caster

脚轮轴承（图2）安装于单轮的轴承孔中，轴承与轴承座为过盈配合。一个单轮的轴承孔中可安装2套并列的轴承。内圈为轴状，2套轴承通常用挤压的方式从两侧压入单轮中心孔中，轴承装入后两内圈正好相抵，以防止脚轮工作时轴承偏斜。

图2 脚轮轴承剖面图Fig.2 Profile of caster bearing

2 自动装配机硬件

2.1 装配机结构设计

设计的轴承自动装配机结构如图3所示，主要由单轮送料机构、轴承送料机构及安装机构3个部分组成。单轮送料机构主要将单轮送入安装位，通过振动盘将待安装单轮送入单轮导轨，传感器检测安装位有无单轮存在，如果没有，则由气缸控制单轮进入单轮安装位。轴承送料机构为对称的两部分，每部分分别输送一套轴承进入安装位，传感器检测轴承安装位有无轴承存在，如果没有，则由气缸控制轴承进入轴承安装位。轴承和单轮都到达预置位置后，驱动同步液压缸将轴承压入单轮轴承座内。待液压缸缩回杆到位后，气缸将安装完成的单轮从单轮安装位推出，单轮轴承安装完成，进入下一个循环。

图3 轴承自动装配机结构图Fig.3 Structure diagram of automatic assembly machine for bearing

2.2 PLC控制系统硬件设计

根据控制需要，设计装配机控制系统硬件如图4所示。设计PLC的输入点数为24点，包括液压缸动作限位开关（4点）、有无轴承供料检测（2点）、有无单轮供料检测（1点）、轴承及单轮安装位检测（3点）、气缸动作限位（6点）、系统开关（2点）；设计PLC的输出点数为11点，包括振动盘控制（2点）、液压缸的电磁阀控制（2点）、物料控制气缸电磁阀控制（6点）、推单轮气缸电磁阀控制（1点）。

图4 装配机控制系统硬件Fig.4 Hardware of control system for assembly machine

控制器选用S7－200系列CPU226XP CN机型，该PLC的I／O点分配为18输入、11输出，可以满足所设计控制系统的要求[3]。PLC的输入、输出分配见表1。

表1 输入、输出控制信号地址分配Tab.1 Address allocation of input and output control signals

3 控制系统设计

系统通过PLC实现信号检测及动作控制，自动装配控制系统流程如图5所示。系统启动后，单轮及轴承供料振动盘同时开始振动、输送物料，当物料输送至检测位置时，检测传感器产生信号，PLC控制振动盘停止输送物料，完成送料动作，若物料缺少，检测传感器产生信号，PLC控制振动盘继续送料。同时，通过2个气缸控制单个物料进入安装位，单轮输送轨道中，前一个气缸推出用于挡住单轮，防止多个单轮进入安装位，待后一个气缸阻挡住后续单轮后，前一个气缸才缩回，让单个单轮进入安装位；轴承送料设计思路相同。单轮进入安装位后，检测传感器（光电开关）产生信号，轴承进入2个安装位后，检测传感器（电感式接近开关）产生信号，PLC同时接收到安装位的3个信号后，控制液压缸推出到位，将轴承压入单轮中心孔，液压缸缩回到位后，单轮安装位下方的气缸推出，将安装完成的单轮推出安装位，轴承安装过程完成[4－5]。

图5 控制系统流程图Fig.5 Flow chart of control system

工作中，若送料5 min以上轨道物料检测传感器还未检测到物料，PLC将控制报警信号灯报警缺料；PLC在控制液压缸推出之前须保证单轮安装位的传感器和2套轴承安装位的传感器都有信号，否则不执行装配操作；装配完成的单轮被推出安装位2 s后，PLC将控制物料进入安装位；按下停止按钮，系统停止。

PLC控制程序按照I／O地址分配进行设计，使用中间继电器（M）来保存中间状态，通过传感器信号来回馈动作的执行情况，通过上升沿触发信号来传递状态。PLC主程序根据程序流程图设计，主程序部分片段如图6所示。

图6 PLC梯形图主程序片段Fig.6 Ladder diagram of PLC main program fragment

4 结束语

针对脚轮中轴承安装工序设计了脚轮轴承自动装配机构，并基于西门子PLC设计了其控制系统。该轴承自动装配机经实际检验，效果良好，已经投入实际生产应用。解决了原来需要人工操作安装的过程，实现了装配工艺的自动化，效率提高70%以上，大大节约了人力成本，而且自动装配机成本低，可推广性强，对于进一步实现脚轮全自动装配具有一定的实际意义。