摘要：针对均布孔圆环工件在加工过程中依靠人工手动完成喷塑后的丝孔剔透与螺钉锁附工艺费时费力、人工精度有限和一致性差等问题，提出一种为止动环喷塑后的丝孔剔透与螺钉锁附加工的自动化方案。结合企业生产需求，根据均布孔圆环工件丝孔剔透与螺钉锁附工艺需要的步骤和流程，结构上将机器划分为供料、分度、定位、丝孔剔透和螺丝锁付五大模块，采用人机界面（HMI）和PLC作为上、下位机设计控制系统，在WPL Soft软件编写控制程序实现了透丝锁丝一体机自动化过程，并在DOP Soft软件设计人机界面，实现加工动态可视化，更方便对透丝锁丝系统进行控制。生产运行数据表明，该设备能够精准高效的实现止动环的丝孔剔透和螺丝锁付操作，一个人操作一台设备的效率可相当于2.9名工人，带来1.9名工人的成本节省，证明了本文所设计的机械系统结构完善，编写的控制程序内容正确可靠，对提高企业自身的技术水平有重要的现实意义。

　　关键词：自动化；螺丝锁付；丝孔剔透；PLC控制；人机界面

　　0引言

　　当前，我国经济发展步入新的常态，正处于攻坚克难的关键时期，制造业的发展水平和质量变得至关重要，这既有助于稳定制造业的生产预期，也能增强行业信心；还可以保证投资的稳定性，进而促进制造业产能的优化配置，促进转型升级、提质增效，加快制造强国建设的进程[1]。传统制造业的数字化智能化转型升级，是实现高质量发展的必然选择[2]。加快推动高质量转型升级成为企业提高自身竞争力的战略选择，就高质量转型升级内涵而言，高质量转型升级是企业利用数字化技术提升企业生产效率并进行价值创造的过程[3]。推进数字化转型升级可以显著增强生产效率，这体现在两个方面上：一是生产过程的自动化[4]。这些自动化设备无需人为干预即可完成物料搬运、产品装配以及产品检测等任务，从而不仅提升生产效率，在提升产品质量的同时，还降低了人工成本[5]。其次是生产管理的智能化管理[6]。智能化的生产管理系统可以收集和分析生产数据，实现生产过程的实时监控，及时发现和解决生产问题，进而提高生产效率[7]。

　　委托企业的主要产品是面向石油行业的配套设备，其中均布孔圆环工件是该企业对外出口的主要产品。在该工件的生产过程中，透丝和锁丝是其中的两道主要工序。当前，该公司的透丝工序和锁丝工序分别在透丝机和手工操作中完成。这两道工序消耗时间过长，生产力较低，对止动环的实际生产产生很大的影响[8]。为求订单如期完成，不得不大量招聘员工，也导致人工成本上升，生产工厂急需一种加工精度高、工作效率高的自动化螺丝锁付和丝孔剔透系统来替代均布孔圆环工件人工螺丝锁付和丝孔剔透。自动化螺丝锁付和丝孔剔透机械设备不仅能按照生产工艺的要求对工件进行准确加工，还能为生产工厂减轻劳动强度，提高生产效率。

　　本文在对自动化螺丝锁付和丝孔剔透系统研究的基础上，提出用双工位加工方式，每个工位都是一次找孔，连续分度，透丝锁丝同时进行的设计思路。本文对设备机械结构进行详细设计并对相关零部件进行选型，搭建了设备控制系统硬件架构，确定了相关控制元器件的选型，设计了设备的控制电路，用HMI和PLC作为上、下位机设计控制系统，实现了自动化螺丝锁付和丝孔剔透系统的控制过程以及过程参数的可视化，由委托企业进行零部件的加工和购买，完成了整个设备的机械系统、控制系统软硬件的安装，并在企业现场对设备进行了调试。

　　1总体结构方案

　　加工的圆环工件直径范围为φ100~φ360 mm，环壁厚均为6 mm[9]。

　　通过对透丝工序与锁丝工序的分析以及自动化设备开发角度而言，该透丝锁丝一体机的机械结构可以分为五部分：供料模块、分度模块、定位模块、丝孔剔透模块和螺丝锁付模块。设备整体三维模型图如图1所示。由图可知，供料模块采用振动盘筛料、直线振动送料器辅助送料的螺钉供给方式；分度模块采用数控分度盘旋转分度，气动三爪卡盘和工装夹具辅助夹紧工件的分度方式；定位模块采用漫反射式激光传感器配合数控分度盘的定位方式；丝孔剔透模块采用直角坐标机器人形式，具体表现为龙门架和Z轴方向机械臂，通过机械臂Z轴方向移动带动电机完成丝孔剔透；螺丝锁付模块同样采用直角坐标机器人形式，具体表现为龙门架、X轴机械臂和Z轴机械臂，通过机械臂X轴和Z轴方向移动实现取螺丝位置和加工位置之间的移动。

　　整个机器的运动单元都与PLC连接，确定好各个运动单元之间相互配合的逻辑关系得到其逻辑控制图[10]，在PLC中按照逻辑控制图对各运动单元进行编程，从而对整个透丝锁丝一体机进行控制。

　　2机械系统设计

　　该设备的机械结构可以分为4部分：供料模块、分度模块、定位模块、丝孔剔透模块和螺丝锁付模块。本节对各部分结构以及运动形式进行设计。

　　2.1供料模块

　　送料模块主要分为3部分：振动送料盘、直线振动送料器和送料气缸，如图2所示。由图可知，上电之后，振动送料盘负责对工人预先倒入盘中乱序的螺钉重新排序，使其保持姿态一致从送料口送出至直线振动送料器。直线振动送料器作为振动送料盘的辅助装置，可以持续提供水平方向的推力，使料道中的螺钉始终保持前进的姿态从而稳定地供料。直线振动送料器的料道无须保持水平，可使料道进料口与出料口保持约15°夹角，方便了料道中的螺钉的移动，亦可减少堵料、卡料的情况。

　　当螺钉经直线振动送料器料道送出后，便滑入与其靠近的螺钉推料工位。该工位处开有一圆柱状凹槽，凹槽直径与螺钉直径一致，因此仅允许单个螺钉落入。凹槽处安装一接近开关，当接近开关感应到螺钉完全落入后，送料气缸会将该螺钉推出，送至待取料工位，等待锁丝机构取料。与此同时，后续的螺钉受到推出机构挡板的阻隔无法继续再向下运动。当锁丝机构将待取料工位里的螺钉取走，同时接近开关感应不到螺钉后，送料气缸将会缩回，圆柱状凹槽重新回到直线振动送料器出料口，等待下一螺钉落入。

　　2.2分度模块

　　本系统的周向分度装置结构图，其主体主要由3部分构成，分别为数控分度盘、气动三爪卡盘与工装夹具，如图3所示。由图可知，由于圆环工件的丝孔呈周向均匀分布，本系统采取工件转动至加工工位的方式完成所有孔位的加工。数控分度盘为主要分度装置，带动工件旋转从而将每个螺孔分度至相应加工工位，通过伺服电机驱动，能达到极高的周向分度精度。

　　三爪卡盘是常见的机床附件，在工业上常与各种分度装置组合使用，应用于各类型机床的主轴之上，其可通过气动系统的作用力，实现夹爪的同步伸缩，从而达到固定和释放工件的目的[11]。考虑到工厂本身具备气源条件，故所采用卡盘的驱动方式为气动。本系统中，由于工件规格跨度较大，其直径从100~360 mm不等，工件的固定方式不采用内夹而采用外撑的方式。

　　考虑到所有规格工件厚度均为6 mm，当使用卡盘上的卡齿直接夹持大规格工件时容易使工件产生弹性变形从而影响到下一步孔位的定位，因此需在卡爪之上安装与工件规格相匹配的工装夹具。工装夹具的规格需根据每个工件的内径尺寸单独定制。

　　2.3定位模块

　　在工件开始分度后，设备需能检测到工件周向分布的孔位并回传信号至PLC中目前自动设备主流的检测方案有两类：机器视觉和光电传感器[12]。考虑到检测方式

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