摘要：在螺柱焊装配过程中，仅靠工人手动旋拧会导致装配效率低下、出错率高，以及难以保持按预设扭矩进行装配等问题。为此，以西门子S7-1200 PLC为核心，结合振动盘、滑台模组、传感器、气动元器件以及旋拧枪等外围设备开发一个螺柱焊自动化装配系统。在该系统中，PLC通过传感器检测零件是否就位，以控制振动盘的启停，从而实现螺柱和底座的有序上料。通过控制步进电机、气动夹手和气缸，完成零件的夹取和装配流程。通过Modbus TCP通信控制旋拧枪，实现螺柱和底座按预设扭矩的稳定装配。这种方法确保了螺柱焊部件在车体焊接过程中的高稳定性，提高了螺柱焊的装配效率，节省了大量人力并优化了质量。

　　关键词：螺柱焊，自动化，PLC，通信控制

　　0引言

　　螺柱焊装配在装甲车车体生产中扮演着关键角色，其焊点质量直接决定了装配质量，是装甲车制造中不可或缺的一环。然而在现有的螺柱焊装配过程中，工人需依靠手动完成螺柱的装配，导致效率低下、出错率高，且难以保持按预设扭矩进行稳定装配。这些问题可能会进一步影响螺柱焊接点的刚度和质量稳定性。随着自动化生产线系统在制造业的广泛应用，其在提高生产效率、缩短生产周期、降低生产成本方面的优势越发明显[1]。故计划设计一套螺柱焊的自动化装配系统来解决这些问题。

　　目前欧美、日本等发达工业国家在自动装配技术领域中的研究起步较早，部分机械产品装配已经完全摆脱了人工操作[2]。德国Bosch公司以铝型材为基本结构，采用标准化设计方法研发了一套可重构装配系统[3]。美国Bodine公司完成了模块式自动装配机[4]的研发。我国在自动装配技术领域中的研究起步相对较晚，自动化水平与发达国家相比存在一定差距[5-7]。刘猛等[8]以PLC和WinCC为核心，实现了引线装配机的自动控制、远程监控、生产记录以及故障报警，提高了生产效率。韩以伦等[9]设计了基于PLC的医用塑料支架自动装配系统，解决了人工装配难度大、效率低的问题。可见国内外在自动装配技术方面大多还是采用PLC来控制。利用PLC控制系统，不仅可以降低智能制造的生产成本，还能提高工作效率和生产质量，从而避免资源过度消耗[10-12]。除此之外，不同的自动化设备均是针对某一特定产品设计而来，均具有一定的专业性。因此，针对螺柱焊装配过程的技术改进和提升至关重要。本文通过开发螺柱焊自动化装配系统，研制一套专门针对螺柱与底座装配的自动化设备，以实现螺柱的稳定装配，提升工作效率，进而保证螺柱焊部件在车体焊接过程中的高稳定性，最终实现装甲车体装配效率的最大化和质量优化。

　　1自动化装配控制系统方案

　　螺柱焊自动化装配控制系统主要由振动盘送料单元、机械手夹取送料单元以及旋拧枪装配单元3个部分组成，如图1所示。系统的框架采用铝型材构建，通过地脚螺栓固定，以此为基准完成整体机械结构的搭建。其中，振动盘用于零件上料，是一种辅助装置，能够将零件有序排列。振动盘底部配备脉冲电磁铁，以产生垂直方向的振动，并通过控制器调节频率来实现不同振幅。机械手是根据项目需求自主设计，主要采用滑台模组和旋转平台组合，构建了一个四自由度的简易机械手，螺柱和底座各配备一个。旋拧枪装配单元则负责完成螺柱和底座的装配。系统的整体工作流程如下：首先，按下设备启动按钮，振动盘开始振动进行上料；当零件运送至指定位置后，传感器会将到位信息以及零件正反信息传递给PLC，PLC控制滑台模组、旋转平台、气动夹手、旋转气缸、翻转气缸和气动卡盘完成对零件的夹取上料；在螺柱和底座夹取完成后，PLC控制模组将旋拧枪移动至指定位置，并通过Modbus TCP通信控制旋拧枪按设定的扭矩和旋转角度进行装配。考虑到可能因零件磨损导致装配失败，PLC在得到旋拧枪完成既定扭矩和旋转角度的反馈后，通过控制气缸将成功和失败的零件推送至相应的储料盒。在整个控制系统中，以西门子S7-1200 PLC为核心，配合旋拧枪、振动盘和其他元器件，实现了对零件上料、夹取和装配的全自动化流程。

　　2控制系统的硬件设计

　　控制系统的硬件组成部分主要包括：PLC、旋拧枪、步进电机、电磁阀组和传感器。S7-1200系列的PLC，其机构简单，装调方便并且指令集功能齐全，拓展性能好[13-14]。基于PLC的联网通信功能，PLC自动化系统能够和智能仪器、变频器等执行装置、网络通信系统、系统数据库进行通信数据交换[15]。故PLC和旋拧枪之间通过网线连接，采用Modbus TCP通信进行信号传输。步进电机作为一种执行元件，广泛应用于工业控制过程。其工作原理是将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移，从而达到精确定位和控制转速的目的[16]。在PLC控制中采用PTO方式，通过释放脉冲信号和方向信号来控制步进电机的运动。在工业控制当中，PLC技术应用在了开关量的逻辑控制当中，在该方面，PLC技术有效代替了继电器，同时还实现了逻辑、顺序控制[17]。故PLC与气动夹手、气缸、卡盘等气动元件之间通过PLC的开关量输出模块控制电磁阀组来完成需要的动作，与传感器的信息接收则通过PLC的开关量输入模块来实现。控制系统的整体硬件框图如图2所示。

　　2.1控制系统硬件选型

　　（1）PLC控制器

　　PLC控制方式中，西门子品牌市场占有率大，所以选择西门子的主流PLC S7-1200系列[18]。结合所需要的控制IO数量以及电机数量，综合考虑选择S7-1200系列中CPU 1214C DC/DC/DC的型号，由于该型号的CPU只能同时驱动4台步进电机，但设备共需要6台步进电机，故选择2台一样的PLC。除此之外，1台该型号的CPU共有10个输出口，2台共20个，由于6台步进电机所需的脉冲和方向信号就需要占用12个，故再添置一个SM 1222 DQ16 X 24VDC输出模块，共计16个输出口。

　　（2）旋拧枪

　　旋拧枪选择北京某公司生产的设备，该设备支持自主设定扭矩和旋转角度，并且搭配扭矩传感器，能判断是否到达设定的参数。它与PLC之间可通过Modbus TCP通信完成信息交互。旋拧过程中可以实时检测扭矩和旋转角度，在达到设定的扭力值后便会停止动作，若到达扭矩未达到旋转角度则说明零件在装配过程中有卡死现象，旋拧枪也会传递信息给PLC，使得PLC可以根据不同情况执行不同的动作流程。

　　（3）步进电机

　　步进电机作为一种执行元件，广泛应用于工业控制过程。其工作原理是将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移[19]，从而达到精确定位和转速控制的目的。本设备夹取螺柱和底座的装置各需3个步进电机，且两边结构相同。Z方向运动由于负载相对较大，采用86步进电机，电机型号86CM45，驱动器型号MA860C V3.0。Z方向的旋转采用江云光电的电动旋转平台Y200RA100，由42步进电机驱动，驱动器型号DM542C。X方向的移动采用42步进电机，电机型号42HS03，驱动器型号DM542C。

　　（4）电磁阀

　　采用亚德客气动电磁阀4V210-08型号的二位五通单控电磁阀，24 V直流供电，用于控制各种气动元器件的动作。

　　（5）传感器

　　采用传感器主要是检测零件到位用的电感式接近开关，型号为LJ5A3-1-Z/BX，24V直流供电，NPN型。除此之外则是步进电机的原点开关，采用海杰嘉创的光电零点开关，型号为HB/H80B，24 V直流供电，NPN型。

　　2.2 PLC的IO分布

　　根据控制流程和所需要控制的元器件，2台PLC的输入输出分布如表1~2所示。

　　3控制系统的软件设计

　　控制系统的软件设计主要是PLC对于步进电机、气动元件以及旋拧枪控制程序的编写。整体控制程序的设计流程如图3所示。

　　该控制程序采用博途V15.0进行编写，对于步进电机的控制先对其进行组态，按照其硬件规格填写诸如脉冲数、负载位移等参数，设置脉冲输出、方向信号输出和原点开关对应的IO口。然后，调用MC_power、MC_Absolute、MC_home等控制模块完成对电机的使能、绝对定位和回原点功能，按照所需要的移动参数完成运动指令。运动控制程序如图4所示，完成对步进电机的运动控制。

　　对于电磁阀的控制则是调用位逻辑运算指令，诸如赋值、置位输出、复位输出等命令，结合定时器、计数器、比较操作等模块完成指定的动作。部分线圈控制程序如图5所示，完成对线圈输出的控制。

　　对旋拧枪的控制则是将通信模块MB_CLIENT作为客户端完成信息的交互，该旋拧枪支持Modbus TCP通信，根据其IP地址192.168.0.211完成通信连接，通过地址5000-5108访问对应的功能，支持数据类型位浮点数。旋拧枪Modbus TCP通信程序如图6所示，该程序段读取了旋拧枪所有的功能参数。

　　除此之外，2台PLC之间也需要通信，本程序采用S7通信。S7通信是西门子内部的通信协议，在西门子的产品间使用，优点在于单边通信，仅需在客户端单边组态连接和编程，而服务器端只需通信的数据即可[20]。1号PLC采用PUT指令向远程2号PLC写入数据即可，如图7所示。

　　4控制系统调试

　　控制系统设计完成后，首要步骤是进行电路安全性评估和各部件检查，然后分模块进行系统调试，最后进行整体联机调试[21]。首先，根据设计图纸搭建设备，并在控制电器柜内完善电路连接。然后进行电机的手动调试，下达复位指令，验证电机运作是否正常。同时，确认PLC与第三方通信连接成功与否。只有在所有模块均可正常执行的情况下，才开始自动装配流程测试。在测试过程中，需要特别关注电机的移动参数是否合理，因为在夹取不同零件时，电机的移动参数应该会有所不同。因此，需要实时记录电机的移动参数，在最终版本中进行修正。若在测试过程中遇到意外状况，可立即按下急停按钮，暂停设备的运行。所有前期准备工作完成后，便可根据选定的零件进行自动化装配流程。设备自动化装配过程如图8所示。

　　在测试完成后，该设备的硬件设备和控制系统可以达到成功率98%，在1 min之内完成5~6个零件的装配，满足使用需求。

　　5结束语

　　本文主要以西门子S7-1200系列CPU 1214C DC/DC/DC型号的PLC为核心，结合旋拧枪、步进电机、气动元器件、传感器、振动盘等外围设备，详细地展现了如何设计和实施一个基于PLC的螺柱焊自动化装配控制系统。旋拧枪由于其高度的集成，能通过Modbus TCP通信轻易地完成既定扭矩和旋转角度的设置，从而奠定了零件装配的基础。其他部件则依赖于PLC进行逻辑动作控制，从而实现了零件从上料到夹取，再到拧紧位置的整个动作流程。若要进一步深化研究，可以考虑引入机器视觉技术，以对零件进行更精准的识别，同时排除那些磨损的零件，从而提高装配的正确率。通过实践，证明了该系统的稳定性和可靠性，它大幅降低了装配成本，提高了工作效率，展现出广阔的应用前景。

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