金 宇，張海鷗，王桂蘭

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

壓鑄，是指將熔融合金在高壓、高速條件下填充鋼制模具型腔，并使得合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。壓鑄機(jī)輔助生產(chǎn)設(shè)備，指的是和壓鑄機(jī)配套的能完成自動(dòng)舀湯、取件、噴霧的輔助機(jī)械設(shè)備[1]。實(shí)現(xiàn)壓鑄機(jī)輔助生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化和智能化對(duì)于穩(wěn)定鑄件質(zhì)量和降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義[2]。

國(guó)內(nèi)壓鑄生產(chǎn)，舀湯、取件、噴霧過(guò)程基本有以下三種方式：1）依靠工人手工；2）半自動(dòng)化，僅舀湯、取件可實(shí)現(xiàn)由機(jī)械操作，3）三個(gè)部分均為機(jī)械操作，但是三機(jī)分離進(jìn)行[3]。設(shè)備集成度相對(duì)較低，需要較大的安裝空間，維修拆裝困難，沒(méi)有對(duì)模具內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)控。國(guó)外目前多將工業(yè)機(jī)器人引入到壓鑄生產(chǎn)周邊，利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)取件和噴霧[4]，靈活小巧，效率高，但是我國(guó)企業(yè)沒(méi)有掌握其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，造價(jià)成本太高[5]。

因此，本文提出開(kāi)發(fā)一臺(tái)集成取件與噴霧功能的一機(jī)雙臂設(shè)備的控制系統(tǒng)，并與舀湯機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，由于壓鑄生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，干擾因素較多，且工藝流程較為固定，最終決定以抗干擾能力強(qiáng)的PLC作為控制核心，基于WINVIEW觸摸屏開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

1 一機(jī)雙臂設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 一機(jī)雙臂設(shè)備結(jié)構(gòu)

一機(jī)雙臂設(shè)備，如圖1所示。主要由五部分構(gòu)成：

圖1 一機(jī)雙臂機(jī)械手模型圖

1）直角坐標(biāo)系統(tǒng)，由3-豎滑臺(tái)，4-噴霧伸縮，模組，6-底座，7-橫滑臺(tái)，8-取件伸縮模組組成。實(shí)現(xiàn)取件、噴霧伺服定位和路徑規(guī)劃功能。

2）取件臂轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)主要由5-取件臂轉(zhuǎn)臺(tái)與8-取件臂組成。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)放件功能。

3）取件噴霧轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由2-噴霧手、9-取件手以及兩者相應(yīng)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)組成。實(shí)現(xiàn)變角度噴霧功能。

4）取件手系統(tǒng)主要由9-取件手內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的氣路組成。實(shí)現(xiàn)零件的抓取以及變角度取放零件。

5）噴霧系統(tǒng)主要由2-噴霧手內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)溫裝置、電磁控制裝置以及氣路水路組成。實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控、傳感器保護(hù)罩伸縮，噴霧噴氣控制等功能。

1.2 一機(jī)雙臂設(shè)備工藝流程

壓鑄機(jī)合模以后，進(jìn)行壓鑄合金的澆注、壓射、冷卻，與此同時(shí)，取件機(jī)械手將上一次取出的壓鑄件放置在指定的碼垛位置，然后返回到下一次的取件位置進(jìn)行等待，壓鑄機(jī)開(kāi)模后，若到達(dá)指定的測(cè)溫次數(shù)，對(duì)模腔內(nèi)的指定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，若沒(méi)有，則取件手進(jìn)入到模腔內(nèi)對(duì)壓鑄零件進(jìn)行抓取，取件完成后退出模腔，噴霧臂進(jìn)入到模腔內(nèi)按照指定的噴霧模式進(jìn)行噴霧噴氣，同時(shí)取件臂旋轉(zhuǎn)進(jìn)行伸縮放件，待噴霧完成后，壓鑄機(jī)合模，至此完成一個(gè)周期的動(dòng)作。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

一機(jī)雙臂機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。該系統(tǒng)以歐姆龍CP1H型PLC為控制核心，通過(guò)PLC的輸出口控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)單元，輸入口接收相應(yīng)的位置信號(hào)。按照工藝流程編寫(xiě)PLC程序，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，觸摸屏通過(guò)RS232與PLC通訊。

圖2 一機(jī)雙臂機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件組成框圖

系統(tǒng)以四臺(tái)交流伺服電機(jī)為基礎(chǔ)搭建一個(gè)的半開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上以示教的方式儲(chǔ)存坐標(biāo)點(diǎn)信息；通過(guò)相應(yīng)的變頻器、交流接觸器控制五臺(tái)三相交流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)；通過(guò)PLC的數(shù)字量輸出口控制氣動(dòng)電磁閥的通斷；通過(guò)PLC的A/D模塊[6]采集溫度信號(hào)；通過(guò)輸入口接收限位開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)等。

2.2 輸入輸出端口規(guī)劃

對(duì)PLC的輸入輸出端口做出了統(tǒng)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)一共有點(diǎn)48個(gè)輸入點(diǎn)信號(hào)，55個(gè)點(diǎn)輸出信號(hào)，控制4臺(tái)伺服電機(jī)需要4路高速脈沖輸出口，需要A/D與溫度傳感器進(jìn)行通訊，需要RS232接口與觸摸屏通訊，因此最終選擇歐姆CP1H-XA-40DT小型PLC，但是該類型PLC只擁有40個(gè)I/O點(diǎn)，需增加I/O擴(kuò)展單元CP1W-40EDT與CP1W-32ET，增加型號(hào)為CP1W-CIF01的RS-232C選件板與觸摸屏通訊。

2.3 直角坐標(biāo)伺服系統(tǒng)

一機(jī)雙臂的直角坐標(biāo)系統(tǒng)由四臺(tái)伺服電機(jī)加滾珠絲杠組成。PLC通過(guò)位置控制模式“脈沖+方向”方式[6]控制直角坐標(biāo)系統(tǒng)4臺(tái)伺服電機(jī)，以脈沖量定位，脈沖頻率確定電機(jī)速度。建立一套簡(jiǎn)易數(shù)字定位系統(tǒng)，定位取件放件位置，規(guī)劃取件與噴霧的路徑。

系統(tǒng)采用絕對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行定位，4個(gè)滑臺(tái)均設(shè)置原點(diǎn)，為準(zhǔn)確回零，在零點(diǎn)附近設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)接近點(diǎn)。PLC給伺服電機(jī)發(fā)出回零信號(hào)時(shí)，滑臺(tái)向零點(diǎn)靠近，到達(dá)零點(diǎn)接近點(diǎn)位置時(shí)，傳感器給PLC發(fā)出零點(diǎn)接近信號(hào)，整個(gè)滑臺(tái)減速低速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)零點(diǎn)時(shí)停止。為安全考慮，在滑臺(tái)的左右兩側(cè)設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)滑臺(tái)到達(dá)極限位置時(shí)，PLC給發(fā)出急停信號(hào)，滑臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。

2.4 交流電機(jī)系統(tǒng)控制方法

PLC通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出進(jìn)行多速度段[8]變頻調(diào)速，通過(guò)變頻器對(duì)取件旋轉(zhuǎn)臂、湯勺、湯勺臂三相交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；PLC分別通過(guò)控制兩對(duì)交流接觸器的通斷，控制爪手和噴霧手旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)通電時(shí)間確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

取件旋轉(zhuǎn)臂的-45°，0°，45°三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度位置的信號(hào)，噴霧手與取件爪手的旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)位置信號(hào)，通過(guò)將凸輪安裝在減速器中心軸上，利用行程開(kāi)關(guān)和凸輪配合的方式來(lái)標(biāo)定。

舀湯手臂和舀湯湯勺位置通過(guò)分辨率8位256的E6CP-AG5C-C絕對(duì)型編碼器[9]確定。編碼器的8根信號(hào)輸出線與PLC的信號(hào)輸入口相連，以2進(jìn)制形式將位置信息輸送給PLC，PLC內(nèi)部通過(guò)格雷碼轉(zhuǎn)換將相應(yīng)的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并儲(chǔ)存在相應(yīng)的地址內(nèi)。

2.5 PLC與紅外溫度傳感器通訊

一機(jī)雙臂運(yùn)行指定次數(shù)后，將進(jìn)入測(cè)溫模式，對(duì)噴霧加強(qiáng)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行采集，監(jiān)控模腔內(nèi)部溫度。PLC與CLT15型紅外溫度傳感器[10]進(jìn)行通訊時(shí)，傳感器將采集到的溫度信號(hào)通過(guò)0~10V標(biāo)準(zhǔn)電壓模擬量信號(hào)傳遞給PLC的A/D模塊，經(jīng)PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量溫度信號(hào)，存入相應(yīng)的地址，將此溫度值與標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行比較，判斷是否超過(guò)溫度警戒值。

2.6 一機(jī)雙臂氣壓液壓控制

一機(jī)雙臂的氣壓與液壓回路一共分為兩部分：

1）取件抓手和傳感器保護(hù)裝置氣缸氣壓控制回路。爪手氣缸，要完成取件臂抓取放置零件的任務(wù)；傳感器保護(hù)裝置氣缸，在需要使用紅外溫度傳感器時(shí)伸出氣缸，不需要時(shí)縮回，為使氣缸動(dòng)作準(zhǔn)確，在伸縮極限位置均增加磁性開(kāi)關(guān)；

2）噴霧臂噴霧裝置液壓與氣壓控制回路。噴霧器共有7對(duì)噴頭，5對(duì)噴頭進(jìn)行噴霧，2對(duì)進(jìn)行噴氣。每個(gè)噴霧噴頭需要先將脫模劑和氣體進(jìn)行混合后噴出，控制上需要對(duì)一對(duì)噴嘴的電磁閥進(jìn)行控制；每個(gè)噴氣噴頭需要將氣體噴出完成對(duì)殘?jiān)膾叽?，控制上需要?duì)一對(duì)噴氣噴嘴的電磁閥進(jìn)行控制。

通過(guò)PLC對(duì)相應(yīng)電磁閥關(guān)斷狀態(tài)的確定，控制系統(tǒng)可以完成對(duì)每一對(duì)噴頭噴霧噴氣的控制，提高了裝置的柔性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

通過(guò)CX-Programmer[11]進(jìn)行PLC程序的編制，程序設(shè)計(jì)采用的是模塊化的編程思想，利用工序步進(jìn)[6]控制編程思想將整個(gè)工作流程劃分為不同模塊，通過(guò)信號(hào)的交互在不同的工序模塊之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)的控制劃分為手動(dòng)操作部分與自動(dòng)操作部分，在手動(dòng)操作部分，可以對(duì)一機(jī)雙臂各被控單元進(jìn)行控制；在自動(dòng)操作部分，一機(jī)雙臂可按照工作流程，按指定工序完成舀湯、取件、噴霧動(dòng)作，圖3是一機(jī)雙臂系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行流程圖。

圖3 全自動(dòng)運(yùn)行流程圖

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用維綸通MT6000i觸摸屏與PLC進(jìn)行通訊。基于EB8000[12]開(kāi)發(fā)軟件，建立取件、噴霧、舀湯三級(jí)用戶界面?？稍贖MI界面上進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、工作模式設(shè)定、手動(dòng)自動(dòng)操作切換、監(jiān)控PLC運(yùn)行情況，同時(shí)在系統(tǒng)遇到故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息。圖4是開(kāi)發(fā)界面結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 觸摸屏總體設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整界面上，可對(duì)取件、噴霧擋塊及原點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)置；在工作參數(shù)調(diào)整界面上，可對(duì)取件、舀湯、取件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；在全線運(yùn)行界面，對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)流程進(jìn)行啟停操作及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控；在錯(cuò)誤清除界面，可以清除電機(jī)錯(cuò)誤。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試結(jié)果表明，壓鑄機(jī)取件噴霧一機(jī)雙臂機(jī)械手能流暢實(shí)現(xiàn)取件和噴霧兩大功能，并且能夠和舀湯機(jī)進(jìn)行信號(hào)交互。取件臂可以精確定位抓取及放置零件，實(shí)現(xiàn)了零件碼垛功能。噴霧臂可選擇不同噴霧模式，不同的噴涂模式可設(shè)定不同噴涂路徑。取件噴霧周期縮短至20秒以內(nèi)，較現(xiàn)有取件噴霧裝置的效率提高了50%。具有較高的精度和柔性，提高了運(yùn)行效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較高的推廣與應(yīng)用前景。

[1] LK Group·Shanghai Atech Machinery Co. Ltd.. 自動(dòng)化壓鑄機(jī)與壓鑄單元[A].中國(guó)鑄造協(xié)會(huì).第七屆中國(guó)鑄造廠長(zhǎng)（經(jīng)理）國(guó)際會(huì)議論文集[C].中國(guó)鑄造協(xié)會(huì),2006：6.

[2] 王云昭.第三屆中國(guó)國(guó)際壓鑄會(huì)議及展覽會(huì)綜述[J].特種鑄造及有色合金,2002,04：37-38.

[3] 李良能.臥式冷室壓鑄機(jī)上自動(dòng)澆注、取件、噴涂輔機(jī)裝置的應(yīng)用[J].裝備機(jī)械,2002,04：14.

[4] 李義.國(guó)外工業(yè)機(jī)器人在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用概況[J].現(xiàn)代兵器,1983,09：27-29.

[5] 周志,楊濤.鑄造機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用[J].摩托車技術(shù),2014,10：33-36.

[6] CP1H CPU單元操作手冊(cè).

[7] ASD-B2系列標(biāo)準(zhǔn)泛用性伺服驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè).2011.4.

[8] VFD-E使用手冊(cè).

[9] E6CP_A編碼器說(shuō)明書(shū).

[10] Optris產(chǎn)品目錄.

[11] CX-Programmer用戶手冊(cè)2.0.

[12] EB8000使用手冊(cè).