基于PLC控制的自動(dòng)下料清洗裝置設(shè)計(jì)*

劉靜香,陳華紅

(1.河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.新鄉(xiāng)市皓良機(jī)械設(shè)備有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

零件在加工過程中表面會(huì)殘留切削油、切屑顆粒、材料殘?jiān)袄鋮s液等,所以在裝配前需要對(duì)零件進(jìn)行清洗。傳統(tǒng)清洗裝置采用人工下料方式,生產(chǎn)效率較低。

目前,國內(nèi)許多中小型企業(yè)為節(jié)約生產(chǎn)成本,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)車間內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造,特別是將一些普通的生產(chǎn)設(shè)備改造成為簡(jiǎn)易的具有部分自動(dòng)化裝置的設(shè)備,如自動(dòng)下料裝置就被廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域,大大提高了生產(chǎn)效率。本文以QX-40A型清洗機(jī)下料裝置的自動(dòng)化改造為例進(jìn)行具體分析。

1 自動(dòng)下料清洗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)清洗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該清洗裝置的工作過程為:工人將所要清洗的工件放在夾具4上,然后將小車3向清洗裝置里推進(jìn),直到工件5處于噴淋頭6正下方,然后固定小車,開啟噴淋頭6進(jìn)行清洗工作;清洗完成后,拉出小車3,將工件取出。這種清洗裝置的下料完全靠人工操作完成,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且手接觸工件后會(huì)產(chǎn)生二次污染,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降,因此需要對(duì)清洗裝置進(jìn)行自動(dòng)化改造。

1.清洗裝置外殼 2.小車軌道 3.小車 4.夾具 5.工件 6.噴淋頭圖1 清洗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)生產(chǎn)需求,在不改變清洗裝置基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)清洗裝置的自動(dòng)下料,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該機(jī)械手主要由氣動(dòng)手指1、氣動(dòng)手指缸2、旋轉(zhuǎn)架3、U型架4、轉(zhuǎn)角氣缸5、升降氣缸6等組成,通過機(jī)械手的水平、豎直、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和抓放動(dòng)作,完成工件在清洗區(qū)和成品區(qū)2個(gè)工位之間的移動(dòng)。水平運(yùn)動(dòng)采用“滾珠絲杠螺母副”實(shí)現(xiàn),伺服電機(jī)與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接,驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠8旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)螺母7移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng);升降氣缸6帶動(dòng)活塞桿上下移動(dòng),活塞桿與U形架4固結(jié)在一起,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的豎直運(yùn)動(dòng);U形架4、轉(zhuǎn)角氣缸5和旋轉(zhuǎn)架3通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接在一起,構(gòu)成曲柄搖塊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);氣動(dòng)手指1是機(jī)械手的末端執(zhí)行器,依靠氣動(dòng)手指缸2驅(qū)動(dòng),將動(dòng)力傳遞給氣動(dòng)手指,實(shí)現(xiàn)工件的抓放。

1.氣動(dòng)手指 2.氣動(dòng)手指缸 3.旋轉(zhuǎn)架 4.U形架 5.轉(zhuǎn)角氣缸 6.升降氣缸 7.螺母 8.絲杠 9.左安裝板 10.接近開關(guān) 11.右安裝板圖2 自動(dòng)下料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在氣動(dòng)系統(tǒng)中,氣動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度快、工作壓力低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工容易、維護(hù)方便,且輸出力的大小和運(yùn)動(dòng)的速度容易調(diào)節(jié)。所以氣動(dòng)系統(tǒng)常和連桿、凸輪、齒輪、螺旋傳動(dòng)等各類機(jī)構(gòu)巧妙組合,達(dá)到控制這些機(jī)構(gòu)的目的。

為準(zhǔn)確控制下料節(jié)拍,自動(dòng)下料裝置除了機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外,其余各運(yùn)動(dòng)均采用氣動(dòng)元件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),這不僅使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,還可以更精確地控制下料的各個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)。

圖3 氣動(dòng)回路

根據(jù)清洗裝置下料的工作過程,氣動(dòng)部分需要完成下列動(dòng)作:氣動(dòng)手指1松開與夾緊工件,升降氣缸6豎直運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)角氣缸5處于水平與豎直位置。氣動(dòng)回路如圖3所示,整套裝置采用一個(gè)氣源,通過電磁閥控制各氣動(dòng)元件的動(dòng)作。不工作時(shí),機(jī)械手處于初始位置,如圖4所示,氣動(dòng)手指缸2打開、升降氣缸6上位、轉(zhuǎn)角氣缸5水平。工作時(shí),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)到最右端,升降氣缸6帶動(dòng)轉(zhuǎn)角氣缸5和氣動(dòng)手指缸2向下運(yùn)動(dòng)到指定位置,氣動(dòng)手指1夾緊工件,如圖5所示。接著,升降氣缸6上升,提升工件,到達(dá)上位后,伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠向左運(yùn)動(dòng),如圖6所示。然后,轉(zhuǎn)角氣缸5轉(zhuǎn)到豎直位置,升降氣缸6下降,氣動(dòng)手指1松開,工件放入裝料盒相應(yīng)位置,如圖7所示。最后,升降氣缸6上升,機(jī)械手回到初始位置,進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

圖4 初始狀態(tài)示意圖 圖5 夾緊狀態(tài)示意圖

圖6 工作左位示意圖 圖7 放置成品示意圖

3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是控制系統(tǒng)的核心,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、抗干擾能力強(qiáng)。在實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器信號(hào)的采集、判斷后,PLC發(fā)出相應(yīng)的控制指令,完成對(duì)各氣缸的實(shí)時(shí)控制。氣缸動(dòng)作到位與否是通過磁性限位開關(guān)進(jìn)行判斷的,每個(gè)氣缸內(nèi)都有伸出和縮回兩個(gè)動(dòng)作需要檢測(cè),因此需要在氣缸上安裝2個(gè)限位開關(guān)。自動(dòng)下料清洗裝置一共有3個(gè)氣缸,因此需要6個(gè)輸入點(diǎn),再加上啟動(dòng)、停止等開關(guān),一共需要12個(gè)輸入點(diǎn)。在輸出端,自動(dòng)下料清洗裝置3個(gè)氣缸的電磁閥、伺服電機(jī)、小車、清洗泵等的控制,一共需要7個(gè)輸出點(diǎn)。

根據(jù)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)的要求,QX-40A型清洗機(jī)的下料裝置選用了三菱Fx1N-40MT型PLC。該P(yáng)LC共有24個(gè)輸入點(diǎn)、16個(gè)輸出點(diǎn)、8000個(gè)數(shù)據(jù)寄存器、256個(gè)計(jì)數(shù)器和256個(gè)定時(shí)器,能滿足自動(dòng)下料清洗裝置的控制要求。其I/O分配表如表1所示。

根據(jù)自動(dòng)下料清洗裝置的運(yùn)動(dòng)要求,結(jié)合I/O點(diǎn)數(shù)分配,整個(gè)控制系統(tǒng)的PLC外部接線圖如圖8所示。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上,對(duì)自動(dòng)下料清洗裝置進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。PLC程序采用順序控制的方式,先確定整個(gè)控制系統(tǒng)的流程,然后將復(fù)雜的任務(wù)或過程分解成若干個(gè)工序(狀態(tài)),最后確定各工序成立的條件、工序轉(zhuǎn)移的條件和轉(zhuǎn)移的方向。這樣編程,簡(jiǎn)潔明了,流程更改方便。具體控制系統(tǒng)流程如圖9所示。

根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的控制流程以及PLC的輸入、輸出點(diǎn)地址分配,繪制了梯形圖程序,其主程序片段如圖10所示。

表1 PLC控制系統(tǒng)I/O分配表

圖8 PLC外部接線圖

圖9 控制系統(tǒng)流程圖

圖10 PLC主程序片段

5 結(jié)語

通過分析清洗裝置工作流程,設(shè)計(jì)了清洗裝置自動(dòng)下料機(jī)械手、氣動(dòng)系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng),提高了清洗裝置的自動(dòng)化程度和產(chǎn)品質(zhì)量,減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該自動(dòng)下料裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、容易控制和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。