使用小型PLC对专用检测工装进行改造

    传统的丁装夹具是基于力封闭和型封闭原则，利用已有的设计经验和规则的方法来确定定位夹紧方案。因此，这种夹具设计针对性强，适用产品的通用性较弱，且自动化程度普遍较低，不能进行互换以适应大多数产品制造的需要。

    随着机械制造业的飞速发展，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代，传统的夹具设计模式也被具有智能控制的柔性夹具制造系统所取代。特别是使用PLC等工控元件来进行控制执行的柔性单元已经逐步在专用工装夹具制造中发挥越来越大的作用。针对某一步进电机产品的专用检测工装，根据柔性化制造思想，我们利用PLC控制成功地进行了改造，改造后的工装不仅在原有的检测基础上提高了检测精度，而且封装了细节，提供智能反馈，简化了工人操作，提高了生产效率；改造后的工装还可以作为通用类型，对其他同类产品进行检测，真正做到一机多用，体现了工装的柔性化和人性化设计。

    1客户要求

    如图1，步进电机移动距离L后停止，在停止点电机能够承受力F的负载，同时要求移动的距离L的误差控制在±0．05mm内。

图1

    2原始工装结构

    该套结构比较简单，主要由5大部件组成。外部驱动盒(图中未列出)控制电机运行，电机碰触到千分表，带动千分表往后移动，然后接触承压器，使压缩弹簧压缩变形，当电机运动距离达到L时，所受的弹簧力即为F。其中L的距离由标准：棒在T装初次使用时测定，用于加载的负荷力F也由工装初始化时通过外部调节器进行调节(在满足距离L的前提下调整F)。

    从理论上而言，该结构可以满足测试要求；但经过较长时间的使用和测试，发现还是存在一定的缺陷：

    (1)使用弹簧传递力，数据不精确一不能准确反映出实际力的要求。电机测试时，无法直观地表示所受的负载力具体为多少，对检验人员进行复检时不能明确指示。此外，弹簧存在的疲劳失效问题也会导致数据不精确。

    (2)千分表行程短，体积较大，头部为螺旋顶块。若装夹不正确或顶块在外力摩擦作用下松动，则直接影响电机测试性能。

    (3)每次对工装进行周检都必须重新调定距离L与力F，拆卸和装配比较复杂，且每次调定的基准与上次的基准不是同一个基准，影响测试的一致性。

    (4)电机运行由外部驱动盒芯片控制，芯片控制受周围环境影响大，测试时会出现程序混乱，影响测试的正常运行。

    (5)控制芯片的程序编制和写入较复杂，如果要更换电机产品进行类似的测试比较麻烦，缺乏柔性化设计。

    (6)缺乏反馈和数据采集功能，不利于丁人操作和检验人员的检测，完全靠人工控制，缺乏人性化设计。

图2

    3改进方案

    使用PLC和压力传感器、直线位移传感器等元件来进行控制和检测，其主要部件结构如图3。

    图3
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    主要元件特性分析：

    (1)PLC可编程控制器具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。在改进的工装方案中使用的PLC控制器是小型控制器，主机点数12点，8点输入，4点输出，DC24V，内建两点高速脉冲输出，外加一个用于反馈控制的带有模拟量输出的扩展模组。PLC主要作用为：程序输入一控制电机的运行、压力传感器及直线位移传感器数值反馈的比较、正确输出信息提醒及数据采样分析。

    (2)传感器已成为自动化系统和机器人技术、单片机应用系统的关键部件。作为信息采集系统的前端单元，对光、热、声、压力和外界的各种动态进行及时的检测和反馈。

    压力传感器采用小型称重传感器，主要用来力反馈。其体积小巧，安装方便，受力范围控制在0-5kg。工作时实测电机的受力状况，并将数值反馈给PLC比较和数显表输出显示。

    直线位移传感器采用电阻式直线位移传感器，特佳重复度是±0．01mm，而线性准确度达到士0．05％，使用寿命最多町达1亿次，完全满足长度精度测试的需求，工作时实测电机运行的距离L的精度，并将数值反馈给PLC比较处及数显表输出显示。

    (3)机械手臂主要用来夹紧电机，由PLC控制电磁阀和气缸动作，在微动作下模拟电机安装状态，将电机锁紧，省去了人工操作的繁复性，节约了时间，并可提供恒定的夹紧力，不使电机在测试时由于震动产生间隙影响。

    (4)缓冲弹簧给压力传感器在过形变时提供反向缓冲作用。

    (5)直线导轨为微间隙滑动，提供更高的导向精度和测试精度。

    4具体动作时序

    (1)第一次使用时，将标准芯棒放入定位支架，由气缸压紧固定，确定需要移动的距离L。

    (2)调节调节器，压力传感器在直线导轨上缓慢直线移动，碰触到芯棒后加载，直到力满足负载F要求后，锁紧调节器，这样既满足距离L又同时确定了力的基准。

    (3)移走标准芯棒，将被测电机装入，启动PLC，控制气缸夹紧电机，并控制电机动作，同时带动压力传感器和直线位移传感器一起动作。

    (4)电机运行到位，压力传感器和直线位移传感器将信号反馈给PLC，PLC进行反馈数值与设定值的比较，然后将比较差值依次输出到数显表显示。若比较后的值超出设定的范围，则由PLC给出信号给指示灯和PC喇叭报警，用于反馈给操作者，使其注意。

    (5)随后PLC控制电机回退到参考设定位置停止，夹紧气缸松开复位。PLC动作时序图略。

    5改造后的明显优势

    (1)力F与距离L的基准调整比较方便快捷，电机测试稳定性增强。

    (2)周围环境对PLC控制影响较小，不会出现测试时的程序混乱引起误操作。

    (3)力F和距离L的变化能够实时监测和反映，数值通过PLC比较，可以直接进行智能化判断和提示，加速工人的操作，提高了生产效率。

    (4)由于PLC带有RS232接口，因此可以直接将数据输入到PLC上。当检验人员周检要进行重复性、再现性和稳定性检测时，可以通过接口利用PLC进行数据采集，并快速精确分析，得出工装的好坏结论，省去了人工操作的繁琐和不确定性。

    (5)通过改变PLC中设置的程序或参数，定位装置可以直接用于其它品种电机的类似检测中。通用性和适用性增强。

    6结语

    目前，此检测设备已在海顿直线电机公司使用，使用情况良好，且测试精度完全可以满足要求，简化了工人的操作，给检验人员的周期检测也提供了很大的帮助。PLC的使用可以改变传统工装夹具的设计模式为柔性化设计，提高了工装的重复利用性和使用精确性，其稳定的性能控制，智能化模式和反馈系统，可以在不影响生产的有序性和产品的合理装配测试的前提下，有效地释放操作者的双手，提高生产的效率。