（机械电子工程专业论文）磁头臂组件自动安装机控制系统的设计与研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着计算机产业的飞速发展，硬盘驱动器产业也面对着越来越大的市场 需求量和越来越高的质量要求。但是目前全球各大硬盘生产厂家的硬盘装配 过程自动化程度还比较低。这不仅影响生产效率，而且也会影响硬盘的质 量。所以提高硬盘装配的自动化程度具有非常重大的意义。 本文研究的是磁头臂组件自动安装机的控制系统设计和研究。磁头臂组 件安装是硬盘装配过程中非常重要的一道工序。由于这一过程安装精度高， 动作复杂，所以一直未能实现较高程度的自动化。本文针对磁头臂组件安装 过程的具体工作要求，对机器的控制系统进行了硬件设计和软件设计，并对 其进行了深入的研究。 在硬件设计过程中，选择了很多的日前较为先进的执行元件和控制元 件，并最终确立了以p l c 为控制核心的多级控制系统。 在软件设计过程中，对机器各子控制系统分别进行了控制程序的编写， 实现了机器的主要安装动作。 本文对核心控制元件p l c 的程序设计进行了较为深入地研究。成功地 解决了控制过程中的难题。 经过机器的生产实践验证，这一控制系统控制下的机器运行非常稳定， 生产坏品率极低，而且安装效率比原来提高了一倍。通过本课题的研究，成 功地完成了磁头臂组件自动安装机的电气控制系统设计，实现了磁头臂组件 较高自动化程度的安装。 关键词磁头臂组件；电气控制系统；p l c 塞查堡三些查兰苫兰堡圭兰堡耋圣 a b s tt a c t h a r dd i s kd r i v e ri s c o n f r o n t i n gi n c r e a s i n gq u a n t i t a t i v e a n d q u a t i t a t i v e r e q u i r e m e n tw i t hr a p i dc o m p u t e ra p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h eh a r dd i s ka u t o m a t i c a s s e m b l yi ss t i l lo nal o w e rs t a t u s t h i si sav e r ym a i nr e a s o nw h i c he f f e c t sd s e h a r dd i s kp r o d u c t i o na n dq u a l i t y i ti s v e r ys i g n i f i c a n t t o d e v e l o p as e to f a d v a n c e da s s e m b l el i n ef o rh a r dd i s k t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st o s t u d yt h ea u t o c o n t r o ls y s t e ma n d d e v e l o ps o f t w a r ef o rh a r dd i s kh s a ( h e a d s t a c ka s s e m b l y ) c 心m p o n e n t h s ai sa v e r yi m p o r t a n tp r o c e s s a n d r e q u i r e sv e r yh i g ha c c u r a c y t h e a s s e m b l e c o m p l e x i t yi st h em a i nr e a s o n w h i c ht h i sp r o c e s sh a sn o tb e e n i m p l e m e n t e d w i t h ah i 吐l e v e la u t o m a t i o na s s e m b l el i n e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh s a a s s e m b l ep r o c e s s t h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e dm a d i m p l e m e n t e dr e s p e c t i v e l y aj o to fa d v a n c c di m p l e m e n tc o m p o n e n t sa n dc o n t r o lc o m p o n e n t sa u s e d i nh a r d w a r ed e s i g n a f t e rt h es e r i o u sa n a l y s i so ft h e s ec o m p o n e n tp r i n c i p l e ，a m u l t i - c o n l x o ls y s t e mi nw h i c hp l cw o r k sa sc o n t r o lc o m p o n e n ti ss e l e c t e d a st os o f t w a r e ，t h ec o n t r o lp r o g r a mf o re v e r yp a r ti ss t u d i e di nd e t a i l s t h e m a i nf u n c t i o no f t h em a c h i n ei si m p l e m e n t e d a f t e rt h er e s e a r c ha n ds t u d yo fp l c ，t h ep r o b l e m so fc o n t r o ls y s t e ma r e r e s o l v e du s i n gp l c t h es u c c e s so ft h i sc o n t r o ls y s t e mw i t ha d v a n c e dc o n t r o lc o m p o n e n t sa n d s o f t w a r ei m p l e m e n tt h ea u t o m a t i ch s aa s s e m b l e 。i ti ss h o w ni nd e p r o d u c t i o n e x p e r i m e n t t h a tt h i ss y s t e md o u b l e s p r o d u c to u t p u ta n d t h i ss y s t e ma l s oi m p r o v e s t h ep r o d u c tq u a l i t yd r a m a t i c a l i y t h i si sa na d v a n c e dh s aa s s e m b l el i n ei nt h e w o r l d ，a sf a ra sw ek n o w k e y w o r d sh s 八c o n t r o ls y s t e m ，p l c n 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 l 1 引言 第1 章绪论 近几年来，随着计算机产业的飞速地发展，计算机已经不再是科学研究人 员的专用工具，而是作为一种商品深入到人民生产，学习以及生活的各个方 面。从图1 1 中可以看到巨大的市场需求正在使计算机的产量逐年地飞速增 长。这种增长必将给计算机的生产提出了更高的要求。 亿台 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 年 圈1 - 12 0 0 1 年到2 0 0 4 年全球个人电脑产量直方图 f 导1 - 1p r o d u c t i o no f p cf r o m2 0 0 1t o2 0 0 4 作为电脑重要组成部件之一，硬盘的质量和需求量也在不断的提高。1 9 5 7 年m m 公司研制成功的i b m 3 5 0 是第一台真正意义上的硬盘存储器。它由许 多片直径为6 1 厘米的盘片组成，体积很大，但存储容量只有5 m b 。直到7 0 年代末m m 在硬盘的生产中应用了温彻斯特技术，从而解决了硬盘密封的难 题，并实现通过气流悬浮使磁头与盘片保持工作间隙。这样就简化了硬盘能机 械结构，缩短了起动时间，也避免了灰尘的污染。在这一时期，m m 公司、 c d c 公司和n e c 公司都生产出体积很小的硬盘，但是硬盘的容量还是很小， 只有6 m b 。9 0 年代，溅射工艺的使用终于大幅度地提高了硬盘的存储容量。 1 9 9 1 年m m 首次实现了1 g l ，i t ，英寸的密度，1 9 9 2 年日立公司则达到2 g b i 蟆 寸，1 9 9 7 年又是m m 公司领先一步，得到了1 1 6 g b i 馍寸的实验结果。1 c 0 8 啥尔滨工业大学工学硕上学位论文 年s e a g a t e 公司实现了1 6 3 g b i t 英寸的密度，1 9 9 9 年i b m 又推出了更加大的 2 7 6 g b i v 英寸，而且这一趋势还在提高。2 0 0 0 年8 月，i b m 公司发布了目前体 积最小的硬盘，盘片直径大约是2 5 4 厘米，而存储容量却达到了2 0 0 0 m b 。硬 盘的产量也在逐年上升，仅2 0 0 3 年一年全球就生产硬盘驱动器2 6 亿台。 面对越来越大的市场需求量和越来越高的质量要求，全球各大硬盘生产商 都在努力提高生产效率和产品质量。要达到这个目的最有效的方法就是提高生 产的自动化程度。目前，各大硬盘生产厂家装配硬盘的过程自动化程度还比较 低，大多数厂家还是以手工装配为主要的装配方式。手工装配不仅效率比较 低，而且由于人手操作可能会带来灰尘和产生静电，会使硬盘的质量难以得到 保证。所以开发一条自动化程度高的自动装配线对硬盘的生产具有非常重大的 意义。 1 2 硬盘装配的现状 1 2 1 硬盘驱动器的结构 硬盘驱动器主要由三个部分组成，分别是印刷线路板、磁头盘片组合和软 线路板组件。这三部分之中，磁头盘片组合部件最多，结构也最复杂。在进行 硬盘的装配时，主要就是进行这部分的装配。磁头盘片组合主要由六个部分组 成，分别为：磁头臂组件、主轴马达、盘片、音圈马达、壳体组件和再循环过 滤网。具体结构如图1 _ 2 所示。 图l - 2 磁头盘片组合结构图 f 毽l - 2c o n s t r u c t i o no f h d a 1 磁头臂组件2 主轴马达3 盘片4 音圈马达5 壳体组件 堕尘堡三些查兰三兰堡圭兰堡兰圣 1 2 2 硬盘装配工序 前面的论述已经提到，硬盘的装配一般按着图1 3 所示的工序进行。其中 最主要是进行磁头盘片组合的装配，这是整个装配过程的重点和难点。 图l - 3 硬盘装配工序图 f i g 1 3 w o r k i n g p r o c e d u r eo f a s s e m b l i n g h a r d d i s k 在工序图中可以看到，除了第一步和最后两步之外，装配过程都是在进行 磁头臂组合的装配。在整个装配过程中，作为硬盘一个重要组成部分的印刷线 路板在最后一步安装，而另一个重要组成部分软线路板组件是作为磁头臂组件 的一部分提前安装好，再一起装在硬盘底壳上的。 整个安装过程中最难的是磁头臂组合的安装以及磁头臂组件与盘片的结 合。因为硬盘工作时磁头与盘片之间的间隙只有1 5 r i m ，这一间隙是靠盘片高 速旋转生成的气流来保持的，安装时要非常精确。也有一些生产厂家在硬盘的 装配工序上是先装磁头臂组合和音圈马达然后再装盘片。 1 2 3 硬盘装配现状 目前，全球有八大硬盘生产厂家，每年生产超过2 亿台硬盘驱动器，但是 硬盘的装配仍然以手工或手工加半自动化设备的方式进行。 在马来西亚，西部数据公司在进行硬盘装配时基本上是以手工操作为主 的。首先是手工打螺丝安装主轴马达，然后手工打螺丝安装盘片并通过调节螺 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 丝调好盘片的平衡。接着安装磁头臂组合和音圈马达，此后，进行过滤组件的 安装以及上顶盖和写入伺服信号。这几步工作基本上都是操作员手工完成的。 最后，安装印刷电路板是由机器自动来完成的。在图1 - 4 中可以看到西部数据 公司的硬盘装配车间里有很多员工在忙碌地工作。 图l - 4 西部数据公司硬盘装配车间 f i g 1 - 4 h a r dd i s ka s s e m b l e w o r k s h o p i n w e s t d a t a c o m p a n y 日本某硬盘生产厂家装配硬盘时也是以手工装配为主。这家公司的硬盘装 配具体操作与西部数据公司的硬盘装配具体操作差不多，只是在工序上有点区 别。他们是先手工装配磁头臂组件，然后再装盘片。安装过程都是由操作员用 自动螺丝刀打螺丝来完成的。在图1 5 中可以看到这家公司的操作员正在安装 磁头臂组件。 在西捷公司，他们在生产酷鱼硬盘时，用的是一条半自动化的生产线。 图1 - 5 日本某公司操作员在装磁头臂组件 f i g 1 - 5a no p e r a t o ri sa s s e m b l i n gh s ai naj a p a n e s ec o m p a n y 堕玺堡三些查兰三兰堡圭兰堡篓兰 在这条生产线上，硬盘的安装工序与西部数据公司的手动安装工序类似。但 是，在这条生产线上是先把印刷线路板安装好在进行其他部件的装配的。在整 个过程中，装好印刷线路板的硬盘底壳一直在流水线上传送，在流水线的不同 位置由不同功能的半自动化设备来完成主轴马达，盘片还有磁头臂组件的装 配，最后由手工来完成后处理工作。 a 1 自动装盘片b ) 手动完成后续工作 图1 - 6 西捷公司硬盘装配线生产状况 f i g 1 - 6w o r k i n g s t a t u si nh a r dd i s ka s s e m b l yl i n ei ns e a g a t ec o m p a n y 从以上的介绍中可以看到目前全球的几家主要硬盘生产厂家在硬盘的装配 上自动化程度还是比较低的。西部数据公司还是以手工方式为主，西捷公司虽 然有一条装配生产线，但是生产线上的设备自动化程度也不是很高。 1 2 。4 磁头臂组件的安装现状 磁头臂组件包括磁头臂主体和软线路板组件两部分。磁头臂组件的安装是 指将磁头臂组件安装到硬盘的底壳上。在硬盘装配的过程中磁头臂组件的安装 是非常重要的一道工序。磁头臂组件与硬盘底壳之间是通过三颗螺钉来连接固 定的。其中一颗螺钉固定磁头臂主体另两颗螺钉固定软线路板组件。 目前，s a e 公司装配磁头臂组件是由操作员手工完成的。它需要先将磁头 臂组件用手放到硬盘底壳的安装位置上，用夹具夹紧后再将夹具和货一起翻转 1 8 0 度从背面用自动螺丝刀打上一个螺丝固定好磁头臂组件。然后，再翻回正 面来用手按住磁头臂组件后面由柔软线路连接的软线路板组件，再用自动螺丝 刀打两个螺丝把软线路板组件固定好。然后用手把装好的货放到流水线上流向 下一个工作位。要完成整个安装过程，一个熟练的操作工人也需要至少5 0 秒 的时间。 1 3 自动化设备定位方式及控制方式简介 硬盘的装配之所以未能广泛的实现较高程度的自动化，与硬盘装配所需的 严格的条件是有很大关系的。硬盘的装配不仅要在一个c l a s s l 0 0 以上的无尘环 境中进行，更重要的是，硬盘的装配有很高的精度要求。比如，一个1 8 英寸 的硬盘，它的磁头臂组件与音圈马达轴承之间的单边装配间隙最大只有 0 0 0 1 5 m m ，而普通的自动化执行元件很难达到这样的运动精度，如果是多极 的运动就更难达到了。另外，如果硬盘的装配从送料到安装完毕都有机械手自 动来完成的话，整个装配生产线的动作将非常的复杂。对这样的复杂的自对化 设备，控制系统能否合理的实现要求的动作，也是一个比较大的难题。 由此可见，寻找运动精度高的执行元件实现精确定位及采用有效可靠的控 制方式是实现硬盘装配自动化的关键。目前，自动化设备中的定位方式主要有 三种：气缸加定位挡块方式、脉冲控制的步进马达和伺服马达方式和机器视觉 定位方式【1 胡。 1 3 1 气缸加定位挡块方式 气缸是自动化设备中最常用的执行元件。它一般是执行两点之间的运或， 而这两个点的具体位置是靠安置在这两点的定位挡块来确定的。因此，气缸的 运动精度完全取决于定位挡块的定位精度。定位挡块一般是刚性地安装在气缸 上，靠挡住气缸的运动来定住气缸的位置。这是一种纯机械式的定位，当定位 挡块位置定好以后，气缸的运动位置也就定下来了，基本不存在运动偏差薛问 题。但是，气缸的运动位置毕竟太少了，运动的速度也很难控制，而且，在有 些空间较小的地方定位挡块很难安装或调得很准。所以，在要求高的自动化设 备上气缸一般不承担精确运送的任务。 气缸是通过电磁阀来控制的。常用的电磁阀一般有两位三通，两位五通， 和三位五通三种。电磁阀是通过电信号控制其内部活塞的运动来控制各个气流 通道的开关，进而控制气缸的。 图卜7 示出的是两位五通的电磁阀的工作原理。图中所示的连接状态是电 磁阀未通电时的状态。此时压缩气源与气缸左边气孔相通，而气缸右边气孔与 大气相通，所以气缸活塞处于回缩状态。当电磁阀得电以后，其内部活塞运动 堕玺量三些奎兰三兰堡土兰堡兰圣| 目e e = = = = ! = = = 日j e = e e = = = 目皇 使压缩气源与气缸右边气孔相通，而气缸左边气孔与大气相通，从而使气缸活 塞做伸出运动 6 - - 9 1 。 图1 7 电磁阀控制原理图 f i g 1 _ 7c o n t r o lt h e o r yo f e l e c t r o 蛐v a l v e 1 3 2 脉冲信号控制的步进马达和伺服马达 马达也是自动化设备中常用的执行元件，它是靠电信号来控制它的运动 的。它是通过磁电作用产生动作，一般都是输出一个旋转运动，再通过丝杆或 皮带等部件可以转化为直线运动。普通的马达通过电信号的通断来控制它运动 的距离或旋转的角度。这种马达的运动精度相对是比较低的。 步进马达是通过脉冲信号来控制它的运动的。马达运动的距离正比于控制 脉冲的数量。但是由于可能存在的外部干扰或机械干涉的影响，控制脉冲可能 产生变化从而导致马达运动丢步，精度降低。 伺服马达在步进马达的基础上增加了一个编码器，编码器能计录：马达转过 的圈数并反馈给马达的驱动器。驱动器将反馈信号与控制脉冲进行比较，形成 闭环控制使马达的运动精度保证在一个控制脉冲所对应的距离范围内。所i 三f 伺 服马达的运动精度相对比较商。 不管是步进马达还是伺服马达都需要有自己的驱动器。驱动器不仅起驱动 放大的作用，它还要接收控制脉冲及反馈信号经过比较运算再发出驱动脉、件。 控制脉冲一般由计算机发出，这里的计算机包括：可编程控制器，工控机，单 片机等 1 - 5 , 1 ”。其控制原理如图1 - 8 所示。 ll 驱动器 驱动信号 伺服呈 控制脉冲 、广 古卜j _ l 几l 厂l m 甫由信粤 7 反馈信号 图1 - 8 伺服马达控制原理示意图 f i g 1 8c o n t r o lt h e o r y o f s e r v om o t o r 1 3 。3 机器视觉定位方式 编码器 达 机器视觉是图像处理技术在工业上的一项应用。在某些自动亿设备中，马 达运动的目标点可能不是固定不变的，可能会存在微小变化，这样马达每次运 动就都需要重新计算运动距离。这时单靠马达就很难达到要求了。机器视觉就 可以很好的解决这一问题。 机器视觉系统应该包括：照明光源，镜头。工业用像机，图像采集卡，计 算机以及图像处理软件。光源负责照明，工业用像机通过镜头摄取运动目标点 的图像，然后传给图像采集卡，图像采集卡将图像转为数字信号传给计算机。 计算机通过图像处理软件计算出需要运动的距离，再把这一距离传给马达驱动 器。这样马达就可以每次运动到准确的位置了 t z , 1 3 1 。工作原理如图卜l o 所 示。 工业用像机图像采集卡驱动器 镜头 光源 图1 1 0 机器视觉系统工作原理示意图 h g 1 1 0w o r k i n gt h e o r y o f v b i o n s y s t e m 针对不同的情况选择不同的执行元件，定位方式和控制方式是自动化设备 设计的关键。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 4 核心控制元件简介 目前，工业控制自动化设备中，可作为控制核心的控制元件主要有：工控 机、可编程控制器和单片机等。它们都有各自的优缺点，针对不同的情况，选 取不同的控制核心是自动化设备控制系统设计的重要工作1 4 ，1 6 1 。 1 4 1 工业计算机 工控机也称工业计算机口c 血血s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 。它主要应用于工 业过程测量、控制、数据采集等。国内工控机产品主要分为p c 总线工控机， s t d 总线工控机，v m e 总线工控机等。可以说工控机随着通用计算机的发展 不断地向更高的档次发展。国外的毋m ，i c s ，i n t e l ，a c t i o n ，m o t o r o l a 等公司 的工控机在我国均有所应用，但消量不大。影响较大的是台湾研华 ( a d v e n t e c h ) ，康泰克( c o n t e c ) 公司，康拓公司等，此外还有台湾威达，大众， 研祥等公司的产品但市场份额较小。 工控机的特点是进行科学计算j 数据处理能力强；通讯功能强；编程语言 丰富，可配多种编程语言；但是对操作员的能力要求较高；对工作环境的要求 也较高( 1 7 1 。 1 4 2 单片机 单片机是单片微型计算机的简称，它将c p u 、r a m 、r o m 、定时计数、 多功能( 并行、串行、a d ) i o 、通讯控制器、甚至图形控制器、高级语言、 操作系统等都集成在一块大规模电路芯片上。由于它的高度集成化，使它具有 了体积小、功能强、功耗小、价格低、易于掌握、应用灵活等多种优点。目前 已经越来越广泛地应用于工业测控领域。单片机不仅对新兴产业的自动控制装 置起着重要作用，而且对传统工业的技术改造也起着巨大的推动作用。但是， 单片机抗干扰能力差，内存容量小，开发周期相对p l c 较长等缺陷，使它的 应用受到了限制m 。 1 4 3 可编程控制器 可编程控制器( p r o g r a n m b l ec o n t r o l l e r ) 英文简写为p c 或p l c ，它是以 微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一 种通用的工业自动控制装置。它具有可靠性高、通用性好、使用方便、体积 小、功耗低、设计施工周期短等优点，而且非常适于顺序控制。目前它已被广 泛地应用于机械生产和自动控制领域中【1 蚍2 1 。 1 5 本课题研究的意义 本课题研究的是磁头臂组件自动安装机的控制系统的设计，是磁头臂组件 自动安装机研制开发的重要组成部分，因此本课题具有非常大的现实意义。这 台机器将改变磁头臂组件的装配方式，从原来的手工装配转变到现在的基本自 动化的装配。这将大大地提高磁头臂组件的装配效率：由于人手参与的减少， 减少了硬盘受污染和产生静电的可能性。这必将提高产品的品质；同时这也将 大大地减少操作员的工作量和工作难度；这一切都将给企业带来巨大的经济效 益。同时对硬盘使用者来说，这也将为他们提供性能更高质量更好的硬盘。 本课题的研究也具有一定的学术价值。它是运用p i , c 技术控制一台动作 复杂丽且动作要求高的机器的一个典型应用。这台机器上应用了很多先进的元 件，如伺服的旋转马达、伺服的自动螺丝刀、自动螺丝供给机等，它们都有自 己独立的控制器与主控制器p l c 一起组成了个多级的控制系统，本课题对 它们都作了不同程度的研究，这必将对这些元件以后的使用提供经验和借鉴。 1 6 本课题研究的内容 本课题对磁头臂组件自动安装机的电气控制系统进行了设计和研究。 首先对机器控制系统的进行了硬件设计。在硬件设计过程中，根据自或安 装磁头臂组件的工作特点，将整个控制系统分成了五个部分，并选择了p l c 作为整个控制系统的核心。针对以往手工安装时的种种弊端，控制系统中选择 了多个先进的执行元件和控制元件加以克服。最终，组成了一个以p l c 为控 制核心，各执行元件的控制器为直接控制元件的多级控制系统。 硬件设计之后进行了控制系统的软件设计。在软件设计中，根据控制系统 各个部分的工作要求，对机器自动运行时各个部分需要完成的动作分别进行了 p l c 控制程序的编写。 本课题还对p l c 控制过程中遇到的控制难点，做了进一步的研究。对这 些控制难题提出多套解决方案，并通过比较得到最理想的控制方法。 通过本课题的研究将最终完成磁头自动安装机的研制开发。在课题的最后 堕堡堡三兰盔兰三兰堡圭兰堡篁兰：。 经过机器的试运行，对整个系统的性能和参数进行了测试，验证了系统的稳定 性和高性能。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章控制系统硬件设计 2 1 磁头臂组件安装要求 磁头臂组件包括磁头臂主体和软线路板组件两部分，要将它安装到硬盘的 底壳上需要打三颗螺钉来固定。这三颗螺钉中一颗是从硬盘底壳背面方向向上 打，来固定磁头臂主体；另两颗是从上向下打，来固定软线路板组件。如图2 1 所示。 图2 - 1 磁头臂组件安装示意图 f i g 2 - 1s k e t c hm a po f h s aa s s e m b l y 1 磁头臂主体2 硬盘底壳3 软线路板组件安装螺钉4 软线黯板组件5 软线路扳组件安装孔 6 磁头臂主体安装螺钉7 磁头臂主体安装孔 这三颗螺钉都是m 2 的，要想让螺钉顺利地导入对应的螺孔，螺钉轴线与 螺孔轴线之间的偏差要在一定的范围之内。设这一偏差为j ，安装螺孔的导角 为c 1 ，螺钉的导角为c ，螺钉与螺丝刀导向槽之间的单边间隙为d ，工作安 全系数为d r ，如图2 2 所示。 显然，偏差艿应该满足如下要求： j g + c ，一2 d b( 2 1 ) 式中c l = 0 5 r a m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 安装螺孔c t = o 5 r a m 装螺钉 刀导向槽 图2 - 2 螺钌螺孔安装示意图 f i g 2 - 2d i a g r a mo f s c r e wa s s e m b l y c 2 = o 1 5 衄 d = 0 1 m m 盯= 0 5 所以有艿 核 r 卅转盘旋转系统 面板卜 心 ：) 自动送磁头臂组件系统 肫b 控 制 件 | 自动送硬盘底壳系统 l 一_ 叫自；i t 镕 图2 - 6 控制系统结构图 f i g 2 - 6d i a g r a mo f s t n g o a r eo f c o n t r o ls y s t e m 核心控制元件是整个控制系统的核心，各控制系统的工作要由核心控银元 件协调控制。操作面板能发出输入信号给核心控制元件，同时它也接收核心控 制元件发出的信号来显示某些工作的状态。人机界面能设置和显示一些变量， 也能显示核心控制元件给操作员发出的一些报警信号和操作提示。传感器采集 机器各工作系统的工作状态输入到核心控制元件，帮助核心控制元件对整个机 器的工作情况做出判断口2 ，2 3 1 。 2 3 2 控制系统硬件总框图 根据机器总体设计方案，整个机器的执行元件主要包括：一个大转矩债服 马达、六个伺服马达带动的直线滑台、十七个气缸以及四个真空吸嘴。针对这 些执行元件，这台机器选用了不同的控制元件。旋转马达由它的驱动器直接控 制，六个伺服马达的运动由两个专用的多轴控制器控制。气缸的动作要靠电磁 阀控制，而真空吸嘴也要有真空电磁阀来控制它动作。因此，机器的控制系统 的硬件总框图如图2 - 7 所示。 2 4 核心控制元件的选择及地址分配 2 4 1 核心控制元件的选择 这一控制系统是应用于运动精度很高的自动化设备上的，很多执行元件是 靠控制器发脉冲控制的，因此要有较高的抗干扰性能；又因为这台机器上核心 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 7 控制系统硬件总框图 f i g 2 - 7s k e t c hm a p o f h a r d w a r eo f n 嘶l s y s t e m 控制元件对各系统的控制大部分都属于顺序控制，所以要求主控制元件要 有顺序控制优势；另外，机器要长时间工作而且机器的空间也比较小，这又要 求主控元件要体积小，功耗低，操作简便而且容易维护。综合比较工控机，单 片机和可编程控制器三种控制元件的特性，再加上价格方面的考虑，这台机器 选择了可编程控制器p l c 作为核心控制元件脚2 5 】。 目前，国内p l c 的应用选用p l c 产品仍以国外产品为主，并以 s i e m e n s 、m o d i c o n 、a b 公司、o m r o n 、g e 公司和三菱等产品为多。 这里，我们选择了o m r o n 公司的c j l 系列的p l c 作为主控制元件来控制其 它元件。这种p l c 的最大特点就是模块化，模块通过标准总线s y s b u s 与 c p u 单元连接。工作人员可以根据具体的工作需要选择具有特殊功能的模块， 控制上非常方便灵活。 根据各控制系统的不同控制要求，p l c 一共由八个模块组成：一个c j lw - p a 2 0 2 型电源模块单元、一个c j l m - c p u - 2 3 型c p u 模块单元、一个c j i w - n c 2 1 3 型位置控制模块单元、一个c j l w a d 0 4 - - v i 型a d 转换模块单元和四个 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i o 模块单元。电源单元是1 0 0 2 4 0 v 交流输入，用来给p l c 供电。a d 转换 单元能进行模拟量和数字量的转换。位置控制单元能发出高速的脉冲信号用来 控制旋转马达。i o 单元负责接收和发送信号实现顺序控制。 2 4 2p l c 的地址单元分配 p l c 的地址单元分配是p l c 控制的关键，不仅与硬件电路的连接密切相 关，更对控制程序的编写起着至关重要的作用。 2 4 2 1 端口的统计及模块的选择要分配好p l c 的地址单元首先要做好端口的 统计。经过对各个控制系统执行元件的控制方式的分析后，确定了如下的端口 个数。 1 输入端口 ( 1 ) 整台机器共有1 7 个气缸，其中有9 个气缸，是需要两个磁电式位置传 感器来检测位置的。每个位置传感器要对应1 个p l c 输入点，所以需要1 8 个 p l c 输入端口。 ( 2 ) 整台机器有6 个伺服马达带动的直线滑台，它们由两个多轴控制器直 接控制。每个马达都有1 个工作忙信号给p l c ，每个多轴控制器有1 个工作准 备好信号给p l c ，所以这部分共需要8 个输入端口。 ( 3 1 整台机器共有4 个真空吸嘴，每个吸嘴要有1 个真空压力传感器。每 个传感器对应1 个p l c 的输入端口，所以这部分需要4 个输入端口。 ( 4 1 整台机器的各种光电式检测传感器共有1 0 个，每个要对应1 个输入端 口，所以这部分共需要1 0 个p l c 的输入端口。 口) 整台机器共有5 个输入按钮，所以要对应5 个p l c 输入端口。 经过上面的统计，整个控制系统共需要p l c 分配4 5 个输入端口。于是这 里选择了两个输入单元端口模块，按从左到右的连接顺序分别为：c j l w - i d l 2 6 2 型6 4 点的输入端口单元，c j l w d 2 l l 型1 6 点的输入端口单元，共8 0 个输入端口。 2 输出端口 ( 1 ) 整台机器共有1 7 个气缸，需要1 7 个电磁阀控制，其中有两个是双线 圈的，每个线圈对应1 个输出端口，所以共需要p l c 分配1 9 个输出端口。 ( 2 ) 两个多轴控制器根据各轴运动情况的不同，共需要p l c 分配2 7 个输 出端口。 ( 3 ) 整台机器共有4 个真空吸嘴，由4 个真空阀来控制。所以共需4 个输 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 出端口。 f 4 1 螺丝供给机需要p l c 给一个开启命令。所以要对应1 个输出端口。 ( 5 1 整台机器共有5 个指示灯和1 个蜂鸣器，所以这部分需要p l c 分配6 个输出端口。 所以，整个控制系统共需p l c 分配5 9 个输出端口。于是这里选择了两个 输出单元端口模块，按从左到右的连接顺序分别为：c j l w - o d 2 6 3 型6 4 点的 输出端口单元和c j l w - o d 2 3 2 型3 2 点的输出端口单元，共9 6 个输出端口。 可以看到，所选的输入输出单元的端口数大于统计数，这有两个原因：一 是因为这样可以把不同工作性质的输入输出信号分配到不同的地址字中，以便 为编程和识别提供方便：二是因为这样可以空出一些多余端口，为将来机器改 进或增加新功能做好准备。 3 特殊输入输出端口 在机器的转盘旋转系统中带动转盘转动的伺服马达需要p l c 发高速脉冲 控制。然而，单靠p l c 的发脉冲指令通过普通的i o 端口输出是达不到要求 的，这就需要p l c 要有具备这样功能的特殊的位置控制模块。 机器中还有一个高精度的位移检测传感器，它的输出是模拟量。这又要求 p l c 要有一个可以进行模数转换的特殊模块。 特殊模块的输入输出口是固定的，一旦型号确定它的端口数以及地址分配 方式也就确定了。根据控制系统的需要，这里选择了c j l w - n c 2 1 3 型的位置控 制模块和c j l w - a d 0 4 ( v 1 ) 型a d 转换模块。两个模块都是占l o 个字的地址 单元。 2 4 2 2c p u 模块内部的i o 地址分配o m r o n 公司c j 系列p l c 的c p u 单元 的存储器( 带电池支持的r a m ) 可以分为三部分：用户程序存储区，i o 存储 区和参数区。i o 存储区包含可以通过指令操作数存储数据区。将“o 区的位 分配给输入单元时，i o 区中的一个位被称为一个输入位，它反映了设备的 o n o f f 状态。将i 0 区的位分配给一个输出单元时，该位称之为输出位。一 个输出位的o n o f f 状态会输出到外部设备。 基本t o 单元的字是根据槽的位置( 从左到右) 给每个单元分配需要的字 数。这些字连续的分配，有空槽时跳过。在i o 区那些没有被分配给基本i o 单元的位可以在程序内作为工作位使用。基本i o 区的地址范围从c 1 0 0 0 0 0 到 c 1 0 0 0 7 9 共8 0 个字。根据前面统计的输入，输出端口以及输入输出模块的连 接方式，c p u 单元分配了5 个字的输入单元地址，范围从c i o 0 0 0 0 到 c 1 0 0 0 0 4 ；分配了6 个字的输出单元地址，范围从c i o 0 0 0 5 到c 1 0 0 0 1 0 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 另外，c p u 模块还需要分配特殊的i o 地址给a d 转换模块和位置控制模 块。特殊i o 区的地址范围从c 1 0 2 0 0 0 开始到c 1 0 2 9 5 9 结束，共9 6 0 个字。 根据所选模块在机架上的连接顺序( 从左到右) 分配给位置控模块的地址从 c 1 0 2 0 0 0 到c 1 0 2 0 0 9 ，分配给a d 转换模块的地址从c 1 0 2 0 1 0 到 c 1 0 2 0 1 9 阍。 2 5 转盘旋转控制系统的硬件设计 2 5 1 转盘旋转控制系统主要硬件选择 转盘是整个磁头臂组件装配工作进行的地方。出于机械结构和运动稳定性 的考虑，转盘采用的是不锈钢结构，是一个直径5 0 0 m m 厚度1 5 m m 的圆盘。 为了减轻重量，圆盘上除了安装孔和工作需要打的孔之外，还挖了四个直径 1 0 0 m m 的圆孔。即使如此转盘的质量还是很大，加上它较大的直径使转盘的 转动惯量变的很大。这就要求带动它旋转的马达要有足够大的转矩。 在转盘上要进行磁头臂组件的装配，前面已经介绍过，装配磁头臂主体时 螺钉轴与孔轴之间的偏差要求在o 2 2 5 m m 范围内。考虑到这一安装过程存在 着多个执行元件的相对运动，可能会带来运动偏差的累加，所以要求转盘的马 达要有足够高绝对的运动精度。另外，转盘的转动会带来运动误差的积累，所 以要求转盘的马达要有很高的相对运动糟度。在转盘上要同时进行多个装配步 骤的工作，而且还要在不同位置进行检测，所以它的运动比较多。这就要求转 盘马达要方便p l c 对它进行控制。 这台机器上选择的带动转盘转动的马达是p a r k e r 公司生产的d m l 0 4 5 b 型伺服旋转马达。这种马达具有非常好的性能。它的转子的直径做得很大，外 部安装孔孔心与旋转中心的距离为7 3 m m ，可以产生很大的扭矩。 这种马达的最大的特点就是不需要连轴器也不需要齿轮传动机构，可以直 接与外部的转盘相连。这就克服了传统的旋转机构的很多难以克服的运动精度 上的缺陷。雨且这种马达装有编码器，可以实现闭环控制，所以运动的精度非 常高，它的绝对精度可以达到0 0 0 6 9 度每圈，相对精度可以达到0 0 0 0 5 6 度每 圈。更重要的是这种马达的运动可以由p l c 灵活地控n o 它的直接控制元件 是p a e k e r 公司为这种马达专门配备的驱动器。p l c 要以发控制脉冲和方向 信号的方式控制它的运动。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 5 2 p a r k e r 旋转马达控制原理 转盘旋转系统是一个闭环控制。控制原理图如图2 - 8 所示。 图2 - 8 转盘旋转系统控制原理图 f i g 2 - 8d i a g r a m o f c o n t r o lt h e o r y o f f o r a yp l a t es y s t e m 在这一系统中，p l c 以传统的发控制脉冲和方向信号的方式控制马达。 p l c 通过它的位置控制模块发出一串高频脉冲和一个代表方向的电信号给驱动 器。脉冲的数量正比于马达将要运动的位移，而方向信号电平的高低也就代表 了马达运动方向的正反。马达的后端装有一个编码器，它能够记录马达转过的 圈数，并反馈给驱动器。驱动器把它与p l c 发出的高频脉冲进行比较后，发 出控制脉冲给马达，控制其运动。这样就实现了p l c 和驱动器对马达的闭环 控制【s 2 6 1 。 2 6 自动送硬盘底壳控制系统硬件设计 2 6 1 自动送硬盘底壳控制系统硬件选择 自动送硬盘底壳系统要完成自动运送硬盘底壳封机器第一工作区盼工作。 为了保证运送的准确性，要求运动的执行元件要有一定的准确性。 机器工作时，硬盘底壳被装在凹形的抽屉式的盒子里，每个盒子装2 0 个 硬盘底壳。盒子由一个执行元件托动每次将盒中最上一层的硬盘底壳送到等待 被取走的位置。这样就要求这一执行元件除了要有一定的精度之外还要有适合 多点运动控制的特点。 基于以上的考虑，这台机器采用了i a i 公司生产的伺服马达带动的直线滑 台。这种滑台中马达的转子和丝杠做成了一体，不需再用连轴器连接，所以精 度很高。另外，这种滑台有自己专用的多轴控制器，它可以与p l c 很好的结 合，非常方便地实现p l c 对多点运动的控制口。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 6 2 l a i 直线滑台的控制原理 i a 直线滑台可以由它的专用驱动器控制，也可以由它的专用控制器控 制。如果采用驱动器控制方式，则p l c 对它的控制将采用传统的发控制脉冲 和方向信号的方式。这种控制方式对多点运动的控制没有优势。另外，这种方 式需要每条直线滑台配一个驱动器，并且要求p l c 的位置控制模块给每驱动 器分配个脉冲发出口和一个方向信号口。这将是控制系统变得臃肿。 i a i 直线滑台专用的多轴控制器最多可以同时4 根轴。它可直接发脉冲给 滑台的伺服马达，而且能准确记忆马达所走的位置。这些位置点可以通过程序 或在较合时写入控制器的内存，并按一定顺序编好位置点的号码。下次要跑相 同位置时，只要发出跑该位置点的号码的命令就可以准确跑道位。这样只要事 先校准所要走的所有位置，然后由p 【c 发出要跑的位置点的号码就可以方便 地控制滑台的运动了。对p l c 来说，这相当于是逻辑控制阱2 2 1 。 2 7 自动送螺钉打螺钉控制系统硬件设计 2 7 1 自动送螺钉打螺钉控制系统的工作要求 自动送螺钉打螺钉系统要完成自动吸取螺钉，运送螺钉至4 准确位置并自动 打螺钉的工作。这一工作可以分为两部分，一部分取螺钉送螺钉；另一部分打 螺钉。 从前面的论述中可以知道自动打螺钉时，螺钉轴线与螺孔轴线之间的偏差 要在o 2 2 5 m m 范围之内可以保证螺钉能准确插入相对应的螺孔内。而取螺钉 送螺钉的工作直接关系到这一偏差，考虑到这一过程由多个执行元件共同完 成，存在运动误差的累撕，所以要求执行元件的运动精度要比较高，而且要控 制方便。 。 。 另外，既然要用机械手自动取螺钉就要为它提供一个合理的螺钉的排魏方 案和供给方案。 除了精度方面的要求，打螺钉时还要控制好打螺钉的扭矩。在前面的论述 中已经指出这一扭矩的最佳值是o 2 8 n m 。这就要求控制系统能稳定地控靛螺 丝刀的扭矩。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 7 2 自动送螺钉打螺钉系统主要硬件选择及其控制 对于负责螺钉传送的执行元件，这里仍然选择了i a i 公司的直线滑台，也 是用它专用多轴控制器来控制它的运动。这一系统中虽然只用到两个轴，但是 控制器选用的是可以同时控制4 轴的控制器，因为在自动送磁头臂组件系统中 也有两个同样功能的直线滑台也由它控制。这样也保持了控制系统中控制元件 的一致性。 这种滑台和控制器的性能已经在前面作了介绍，完全能够满足这一系统的 工作要求。所以主要就是要进行螺钉排列方案的选择和电动螺丝刀的选择。 2