在现代制造业中，装配工作时间占制造的40％ ～60％ ，装配工作量约占整个产品制造工作量的20％ -70％。当前装配自动化生产线上，多采用传统机械构件控制的自动机，这类机器结构复杂、制造困难、机械效率低、不适用于现代的多品种、小批量生产。为适应装配品种的多变，必须要改变以前适用于单一品种的装配形式，从而引出柔性自动装配 的概念。柔性装配系统以其良好的响应外部变化特性，已成为装配系统的发展方向。合件的装配生产过去采用人工流水作业的方式，劳动强度大，速度慢。因此为了提高生产效率，研制出适用于合件自动装配生产的装配机就很有必要。近几年来，在一些行业的装配自动化生产过程中，虽然采用继电器控制系统实现了自动化，但线路复杂、可靠性和动态精度低。采用可靠性和精度高的可编程控制器(PLC)作为装配机控制设备，可以简化线路，并能提高系统的可靠性和精度。

　　PLC控制多工位自动装配机，以合件装配为主要任务，采用气动元件来驱动执行机构。模块化的设计方法，使整个系统灵活可靠，可实现同类型不同型号合件的装配生产，整体优化了产品生产系统，改善了企业的生产环境，提高了企业的生产效率，并能取得较好的经济效益。

1 系统组成和工艺过程

　　1.1 系统组成

　　多工位自动装配系统由检测系统、主装配系统、步进电机及控制器、电磁阀等组成，如图1。主装配系统主要由防爆电机、步进电机、间歇式分度机构、点胶机、机架、11工位转盘、随行工装、定位平台、FESTO和SMC气动元件及相关连接组件等组成。检测系统主要由检测元件电涡流位移传感器和相关连接组件组成；在自动上料这一环节采用由步进电机驱动直线定位平台给料，保证了精度要求。

图1 系统框图

　　1.2 系统工艺流程

　　工艺过程如图2所示。在将待装配的合件放入随行工装后，经过三次距离检测，三次收口，涂胶、上料、压平，最后完成成品下料。在这过程中，涂胶主要完成向合件内壁涂抹上一层黏合剂，对即将装入其内的部件起固定作用；上料过程分为两步，首先是由步进电机驱动定位平台自动给料，然后由机械手从料盘中抓取部件，通过搬运，放入合件内孔中；接着通过压平使部件和合件内内壁涂抹上一层黏合剂，对即将装入其内的部件起固定作用；上料过程分为两步，首先是由步进电机驱动定位平台自动给料，然后由机械手从料盘中抓取部件，通过搬运，放入合件内孔中；接着通过压平使部件和合件内壁充分接触；最后经检验合格放入成品容器中。

图2 装配工序流程

2 PLC控制系统硬件构成及特点

　　2.1 PLC的I／O点设计

　　在控制系统电路中，输入PLC的控制信号有72点，其中包括指令信号和状态信号；PLC输出控制的点数为64点，这些为动作执行元件、急停报警、功能转换等。PLC输入输出点统计如表1所示。

　　2.2 系统硬件选型

　　根据多工位自动装配机的装配工艺要求，其电气控制系统由一台上位机和一套西门子S7—300 PLC和一台编程器组成。上位机为Evoc工控机，适合在企业恶劣的环境中应用。PLC编程软件为STEP7 V5.3，人机界面软件为WinCC V4。.

　　PLC采用CPU314中央处理单元，由两块接口模板IM365实现机架和扩展机架之间的数据传送，I／O模块分别为4块SM322数字量输入模块、1块SM331模拟量输入模块、3块SM321数字量输出模块和2块FM353步进电机定位模块；另配有一块PS307电源模块。PLC模块布置图如图3所示，整个控制系统原理如图4所示。

图3 PLC模块布置图

图4 PLC控制系统原理图

　　2.3 PLC的特点

　　可编程控制器(PLC)的设计是以方便工业应用为目标，并尽可能采用先进技术。西门子S7—300PLC具有以下几个显著特点：

　　(1)指令处理极其快速，功能强大的CPU只需0.3ms就可处理1024个二进制语句；

　　(2)计算性能极强，完善的指令集，MP1接口和通过SIMATIC NET联网的网络能力，功能更强；

　　(3)高性能模板和六种CPU适用任一应用场合；模块可扩至3个扩展机架；集成了MMI(人机界面)接口电路；用户友好的WINDOWS STEP7编程；

　　(4)全部模块化，运行可靠，性能价格比高。

3 步进电机的PLC控制方法

　　在上料工位中，采用步进电机驱动直线定位平台的开环伺服机构给料。PLC控制的伺服给料机构由可编程控制器、步进电机驱动器、步进电机和直线定位平台组成，如图5所示。

图5 伺服给料机构组成

　　在该伺服机构中，步进电机通过联轴器与丝杠相连，定位平台和丝杠通过滚珠丝杠副的形式相连。定位平台的行程采用数字控制来实现。从伺服机构的结构上可以看出，定位平台的行程与步进电机的总转角成正比，所以通过控制步进电机的总转角就能实现对定位平台行程的控制。通过步进电机的工作原理和特性可得：步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此就可以确定PLC输出的脉冲个数

N = △L／δ

　　式中：△L为定位平台的位移量(mm)；6为定位平台的脉冲当量(mm／脉冲)；N为PLC输出的脉冲个数。

　　定位的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率；所以可根据该工位要求的进给速度，来确定其PLC输出的脉冲频率

f=Vf／60δ

　　式中：f为PLC输出的脉冲频率(Hz)；Vf为定位平台的进给速度(mm／min)；6为定位平台的脉冲当量(mm／脉冲)。

　　定位平台的送料过程由进给和返回两步组成；进给和返回过程控制通过对步进电机的转向的控制来实现。在PLC中，该过程可通过编程改变输出脉冲的顺序，控制步进电机绕组的通电顺序来实现。

4 控制系统软件设计

　　控制系统软件包括下位机PLC控制软件和上位机人机界面软件。组态软件为STEP7 V5。0，完成系统组态和编程；人机界面软件用于系统现场监控。

　　4.1 PLC编程软件

　　本系统PLC程序使用STEP7 V5。0编写，实现对整个装配过程的控制和过程数据的初步处理。在STEP7 V5。0中，编程语言有：梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块(FBD) 。

　　在STEP7V5.0环境下，首先建立新项目，插入PLC站，插入各模块的顺序完成硬件组态，然后开始编制PLC程序。编写的程序分为手动程序和自动程序。手动程序主要在安装调试和设备检修过程中使用，各工位动作需要由手动控制实现。自动程序通过控制主程序循环调用各装配工位的子程序来实现整个装配系统的连续动作，程序流程框图如图6所示。子程序主要由检测子程序G1、收口子程序G2，G3，G4、检测子程序G5、涂胶子程序G6、上料子程序G7、压平子程序G8、检测子程序G9、下料子程序G10组成。

图6 程序流程框图

　　4.2 上位机人机界面软件

　　本系统开发主要包括操作控制界面、状态显示界面、参数设置界面和统计分析界面等，软件面板主界面如图7所示。状态显示界面用于显示设备的运行情况，在系统出现故障时能够同时给出故障报警和出错显示，为及时排除故障提供帮助。统计分析界面用来记录并分析设备的生产状况，包括目前的生产总量、生产效率和合格品率等，为生产管理提供依据。在参数设置界面中，可以根据要求选择装配合件的型号。在面板右下方的帮助信息里，为用户提供了硬件维护，参数说明及常见故障处理方法，极大地方便了用户。操作控制分为手动模式、单步模式和循环模式；手动模式用于调试时使用；循环模式用于正常工作时使用。在面板上方还设置有软件开关、复位和急停功能按钮。

图7 软件面板主界面

5 结束语

　　传统合件的装配生产采用手工流水作业的方式，阻碍生产企业生产效率和产品质量的提高。为了解决这个问题，将德国西门子公司S7 300系列PLC应用到合件的装配生产控制中。该装配机具有系统稳定、工作可靠等优点。通过现场初步调试达到了设计要求。