多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡超志，劉家琛，崔國華

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，邯鄲 056038）

螺母是緊固件的重要組成部分之一，被廣泛、大量應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中。目前螺母的主要生產(chǎn)方式以鍛壓生產(chǎn)為主，一般由多道工序組成，而螺母在各工位間的輸送主要由人工完成。這種生產(chǎn)方式不僅自動(dòng)化程度差、效率低，而且由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，使得工人在生產(chǎn)過程中由于高溫環(huán)境容易發(fā)生燙傷，因此，整個(gè)生產(chǎn)過程存在很大的安全隱患。針對(duì)目前的這種生產(chǎn)狀況，螺母生產(chǎn)企業(yè)急需對(duì)現(xiàn)有的鍛壓生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改造，研發(fā)出螺母鍛壓自動(dòng)化輸送設(shè)備來代替原來的人工操作，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)螺母生產(chǎn)的全自動(dòng)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

近年來，雖然國內(nèi)很對(duì)企業(yè)都在不斷引進(jìn)螺母自動(dòng)化鍛壓生產(chǎn)設(shè)備，但是這類設(shè)備成本太高，另外，考慮到設(shè)備的利用率及使用企業(yè)維修維護(hù)能力等因素，該類設(shè)備對(duì)于中小企業(yè)不適用。針對(duì)目前的這種生產(chǎn)狀況，研發(fā)一種適用于中小企業(yè)的用于螺母鍛壓生產(chǎn)的自動(dòng)化輸送設(shè)備，在此基礎(chǔ)上開發(fā)其控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)螺母的自動(dòng)化生產(chǎn)不僅可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高螺母生產(chǎn)的質(zhì)量及生產(chǎn)效率，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。本文在自主研發(fā)的多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用PLC控制技術(shù)，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備組成及工作原理

為了實(shí)現(xiàn)螺母在生產(chǎn)過程中在各工位之間的自動(dòng)化輸送，課題組根據(jù)螺母的生產(chǎn)工藝要求設(shè)計(jì)了一臺(tái)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備樣機(jī)，用來模擬螺母在生產(chǎn)過程中的多工位輸送。設(shè)計(jì)的多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備樣機(jī)如圖1所示，由圖可知，該設(shè)備由螺母搬運(yùn)機(jī)構(gòu)和支撐臺(tái)體組成。其中，螺母搬運(yùn)機(jī)構(gòu)主要用來實(shí)現(xiàn)螺母在6個(gè)工位之間的自動(dòng)輸送，它由升降氣缸、平移機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)手爪、伺服電機(jī)、絲杠、滑動(dòng)導(dǎo)軌和其他輔助元件等部分組成。支撐臺(tái)體由3個(gè)小支撐臺(tái)和1個(gè)大支撐臺(tái)組成，用來支撐固定螺母搬運(yùn)機(jī)構(gòu)。

圖1 多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備樣機(jī)Fig.1 Prototype of multi-station nut forgingand conveying equipment

設(shè)計(jì)的多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的基本工作原理：首先安裝在搬運(yùn)機(jī)構(gòu)上的6個(gè)氣動(dòng)手爪在氣閥的控制下閉合抓取放置在6個(gè)工位工作臺(tái)上的螺母胚料，然后4個(gè)升降氣缸伸出使搬運(yùn)機(jī)構(gòu)上升、上升到位后，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠使搬運(yùn)機(jī)構(gòu)向前平移一定位移實(shí)現(xiàn)螺母各工位的切換，平移到規(guī)定的位置后，氣缸縮回，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)下降，下降到位后氣動(dòng)手爪松開，將螺母放到工作臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)了螺母在6個(gè)工位之間的切換。最后，完成螺母工位的切換后，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)通過上升，后移，下降回到原位等待下一次的搬運(yùn)工作。如此循環(huán)完成螺母的自動(dòng)輸送工作。

1.2 設(shè)備控制要求

多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的基本功能是實(shí)現(xiàn)螺母生產(chǎn)過程中在各工位間的自動(dòng)化輸送，因此，首先要求設(shè)備能夠按照一定的時(shí)序完成規(guī)定的動(dòng)作。其次，在設(shè)備的工作過程中能夠自動(dòng)判斷螺母是否抓緊，是否松開，以及搬運(yùn)機(jī)構(gòu)上升和下降是否到位。最后，最為重要的是要能夠?qū)崿F(xiàn)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)平移的精確定位，即使搬運(yùn)機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確移動(dòng)到下一工位的位置，這就涉及到平移機(jī)構(gòu)位置的精確控制問題，這一問題是設(shè)備能夠正常工作的基本要求。

1.3 控制系統(tǒng)總體方案

根據(jù)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的工作原理和基本要求，本文采用PLC來實(shí)現(xiàn)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，由圖可知，整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、伺服電機(jī)、絲杠、氣動(dòng)電磁閥、氣動(dòng)手爪、升降氣缸、手爪開、合位置限位開關(guān)和氣缸升降限位開關(guān)組成。其中，PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過控制氣動(dòng)手爪的開合、氣缸的伸縮和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備按照控制要求進(jìn)行動(dòng)作。伺服電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)絲杠完成設(shè)備的平移動(dòng)作，由于伺服電機(jī)是一個(gè)自帶編碼器的閉環(huán)執(zhí)行器，具有較高的定位精度，滿足本設(shè)備對(duì)平移位置精度的要求[1]。氣動(dòng)電磁閥用來實(shí)現(xiàn)手爪的開合和氣缸的伸縮控制，限位開關(guān)將手爪的開合狀態(tài)和氣缸的伸縮狀態(tài)反饋給PLC，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of control system

2 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選型

由設(shè)備的工作原理可知，在多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備中，電機(jī)的主要作用是驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)螺母搬運(yùn)機(jī)構(gòu)以一定的精度平移到下一個(gè)工作位置，在此過程中對(duì)位置有較高的精度要求，普通的電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)這一工作要求。由于伺服電機(jī)是一種自帶編碼器的閉環(huán)執(zhí)行器，具有較高的位置和速度控制精度，因此本文選用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的平移和精確定位。

根據(jù)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備平移的負(fù)載要求和精度控制要求以及結(jié)合伺服電機(jī)的選型原則和步驟[2]，最終選擇松下A5系列全數(shù)字式交流伺服電機(jī)（MHMJ082G1U）和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器（MADHT1505）實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的平移定位功能。

2.2 PLC的選型

PLC由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、編程簡單、維護(hù)方便、模塊統(tǒng)一、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，在各種工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但PLC品種繁多、結(jié)構(gòu)形式各異、指令系統(tǒng)和編程方法各有特點(diǎn)、性能和容量也各不相同，各類型PLC適用場合也各有側(cè)重，雖然給用戶提供了豐富的選擇，但也帶來了選型上的困難[4]。

本文針對(duì)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的控制特點(diǎn)和控制要求，以及綜合考慮各類PLC產(chǎn)品的特點(diǎn)、性能、價(jià)格等特點(diǎn)，最終選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-200小型PLC來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)[5]。根據(jù)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，選用CPU226作為主控單元，并配備一塊數(shù)字量輸入輸出模塊EM223。

2.3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)和控制要求對(duì)PLC的I/O地址進(jìn)行分配，如表1所示。

根據(jù)PLC的I/O分配表，完成PLC的外圍電路設(shè)計(jì)，給出PLC的外圍電路接線圖，如圖3所示，由于圖紙比較大，省略了一些沒有用到的I/O及電源接口。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文采用模塊化的編程思想對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，即編程時(shí)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分，分為各個(gè)功能子模塊，并分別編程實(shí)現(xiàn)，在完成個(gè)子模塊的編程后在主程序中進(jìn)行調(diào)用。根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求，編程時(shí)一共設(shè)計(jì)了一個(gè)主程序、6個(gè)功能子程序和一個(gè)中斷程序。其中主程序的作用是按照一定的條件和順序調(diào)用各功能子程序，從而完成設(shè)備要求的功能。功能子程序包括初始化子程序，合爪子程序、開爪子程序、上升子程序、下降子程序和復(fù)位子程序，分別用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化功能、手爪的抓取，釋放、平移機(jī)構(gòu)的上升、下降以及復(fù)位等功能。中斷子程序用來處理PLC給伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，告知系統(tǒng)脈沖已經(jīng)發(fā)送完畢，可以進(jìn)行下一步操作。

表1 PLC的I/O地址分配表Tab.1 PLC’s I/O address allocation table

圖3 PLC外部接線圖Fig.3 External wiring diagram of PLC

控制系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示，由圖可知系統(tǒng)的工作流程：系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先氣動(dòng)手爪動(dòng)作夾緊螺母毛坯料，然后氣缸動(dòng)作帶動(dòng)設(shè)備上升，設(shè)備到達(dá)上升上限位后，PLC控制伺服電機(jī)使設(shè)備前移來到下一工位，精確到達(dá)下一工位上方后，設(shè)備下降，下降到位后氣動(dòng)手爪松開將螺母放到指定工位，最后設(shè)備原路返回到開始位置，等待下一步控制要求，直到結(jié)束信號(hào)的到來，其中每步動(dòng)作是否完成由限位開關(guān)進(jìn)行判斷。

圖4 控制系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of control system

4 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

在完成控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備控制柜，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，控制柜實(shí)物如圖5所示。

實(shí)際調(diào)試時(shí)，遵循先硬件后軟件的調(diào)試原則，首先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了調(diào)試，為系統(tǒng)的軟件調(diào)試打下了基礎(chǔ)，然后進(jìn)行軟件調(diào)試。軟件調(diào)試時(shí)，首先對(duì)各個(gè)功能子模塊進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證硬件連接的正確性以及確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)功能。然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，使系統(tǒng)按照規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作。

圖5 控制柜實(shí)物Fig.5 Control cabinet

在對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試完畢后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使設(shè)備處于初始位置，然后讓系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的流程進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠按照預(yù)定的順序進(jìn)行動(dòng)作，而且位置精度能夠滿足要求，順利地完成了螺母在各工位間的輸送任務(wù)，具有較高的自動(dòng)化程度。

5 結(jié)語

針對(duì)螺母鍛壓生產(chǎn)過程中螺母胚料在各工位間輸送的自動(dòng)化問題，本文在現(xiàn)有多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備樣機(jī)的基礎(chǔ)上，基于PLC控制技術(shù)對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多工位螺母鍛壓輸送設(shè)備的基本功能，實(shí)現(xiàn)了螺母胚料在各工位間輸送的自動(dòng)化。

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