吳何畏 鄭元一② 高成慧 劉亞麗

(①湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 湖北 襄陽 441053；②湖北三環(huán)車橋有限公司，湖北 襄陽 441700)

汽車前軸形狀復(fù)雜，承受沖擊性負(fù)荷，因此對其強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命要求較高，其質(zhì)量直接影響到汽車傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和負(fù)荷運(yùn)行時的安全性。一般載貨汽車和大型客車的前軸都必須采用鍛造成型，以保證零件的強(qiáng)度要求和疲勞壽命指標(biāo)。

三環(huán)車橋采用精密輥鍛-整體模鍛工藝[1]生產(chǎn)前軸，具體工序(如圖1)為：

(1)被切割好的圓鋼投入中頻感應(yīng)電爐中加熱，溫度達(dá)到1 150 ℃～1 250 ℃后出爐。

(2)加熱好的圓鋼在輥鍛機(jī)上軋制4次，初步成型。

(3)輥鍛成型的工件由液壓機(jī)械手搬運(yùn)到摩擦壓力機(jī)上，在打彎模具上打彎。

(4)打彎完畢的工件由人力或者機(jī)器人放入終鍛模具中模鍛成型。

(5)工件由電動葫蘆或者滑臺搬運(yùn)至切邊機(jī)中去除飛邊。

(6)鍛件經(jīng)過熱校正完成鍛造工序，經(jīng)過碼放和冷卻后得到鍛造成品。

1 總體設(shè)計(jì)方案

按照生產(chǎn)工藝要求，高溫大質(zhì)量鍛件在關(guān)鍵工位之間需要多次搬運(yùn)，現(xiàn)場人員使用電葫蘆作業(yè)，效率和安全性很低，擬在前后級工序之間使用機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)，但由于材料的特殊性，存在如下問題：

毛坯長度為1 500～1 800 mm，考慮到工件搬運(yùn)中的回轉(zhuǎn)距離、機(jī)器人本體與模具之間的安全距離，機(jī)器人作業(yè)半徑至少需要3 200 mm；毛坯質(zhì)量為110～130 kg，液壓爪鉗質(zhì)量為50 kg，市面上能承載180 kg工作負(fù)載的機(jī)器人作業(yè)半徑為2 400～2 800 mm，因此常規(guī)固定座機(jī)器人的作業(yè)半徑不足，需要用滑臺來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動[2]。

另外，工件從終鍛模具搬運(yùn)到切邊模具時，滑臺需要移動3 000 mm，切邊模具比工件本體大6～8 mm，如果搬運(yùn)過程中的位置誤差>6 mm，工件將無法放入切邊模具中。

1.1 機(jī)器人選型

機(jī)器人應(yīng)滿足作業(yè)半徑、工作載荷的設(shè)計(jì)要求，同時應(yīng)滿足通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_放性的需求。選用KR 360-2F型號的機(jī)器人，該機(jī)器人重量為2 385 kg，最大負(fù)載360 kg，作業(yè)半徑2 826 mm。

1.2 控制及驅(qū)動選型

驅(qū)動系統(tǒng)的控制對象總重3 600 kg，要求原動機(jī)調(diào)速范圍大、機(jī)械特性硬度高，設(shè)計(jì)時考慮了交流變頻和交流伺服兩種閉環(huán)控制方案，伺服系統(tǒng)有極高的運(yùn)動控制精度，但成本較高，予以排除，選用了交流變頻的控制方案。西門子PLC輸出連續(xù)脈沖給變頻器，電動機(jī)上增加編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋，能夠保證運(yùn)動精度的設(shè)計(jì)要求。

通訊方面，選用PROFIBUS作為現(xiàn)場總線，機(jī)器人加裝PROFUBUS DP通訊卡CP5614，S7-200則擴(kuò)展通訊模塊EM277以實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的通訊，擴(kuò)展定位模塊EM253以實(shí)現(xiàn)滑臺運(yùn)動的精確控制，擴(kuò)展數(shù)字量模塊EM221以實(shí)現(xiàn)與鍛壓機(jī)和切邊機(jī)的歐姆龍PLC信號傳遞[3]。電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載、功率、運(yùn)動速度和運(yùn)動精度來對電動機(jī)和傳動系統(tǒng)進(jìn)行選擇。

2.1 電動機(jī)選型

滑臺總重3 600 kg，設(shè)計(jì)采用車輪支持滑臺，鋼質(zhì)車輪與鋼軌之間的滾動摩擦系數(shù)為0.05～0.07，最大靜摩擦系數(shù)為0.1～0.15，那么需要驅(qū)動系統(tǒng)的輸出力至少為5 300 N(計(jì)算過程略)。工件搬運(yùn)時滑臺有3 000 mm移動距離，為提高效率，設(shè)計(jì)有加、減速周期，其最大運(yùn)動速度以0.8 m/s為宜，減速器輸出功率4.23 kW，減速器傳動效率為0.95～0.98，選用7.5 kW電動機(jī)和三菱A700變頻器[4]。變頻器設(shè)置為矢量控制模式，加裝FR-A7AP接收編碼器脈沖反饋，與PLG電動機(jī)配合使用，可實(shí)現(xiàn)與伺服電動機(jī)類似高響應(yīng)、高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制。

2.2 傳動設(shè)計(jì)

滑臺要求傳動系統(tǒng)承載力大、精度高、距離較長，設(shè)計(jì)選擇齒輪-齒條傳動，現(xiàn)場環(huán)境粉塵極多，若齒輪和齒條垂直放置容易積累粉塵，影響傳動，齒輪和齒條設(shè)計(jì)為水平安裝，齒輪選擇分度圓直徑為254 mm，分度圓周長為800 mm。

2.3 減速器選型

減速器的選擇兼顧轉(zhuǎn)矩與速度。四極變頻電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，滑臺移動速度為(19.04/i) m/s,要求其減速比i不能大于23，否則其最大速度達(dá)不到0.8 m/s；同時，齒輪處力矩至少為622 N·m ，7.5 kW電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為50.1 N·m，減速比i至少要大于13。綜合考慮，選用減速比為20的減速器比較合適。至于減速器安裝類型，電動機(jī)需要水平放置于滑臺基座上，但因?yàn)辇X輪關(guān)系輸出軸需垂直于水平面，所以減速器輸入軸與輸出軸需成直角，同時為防止粉塵落入，安裝方式選擇法蘭盤固定[5]，那么減速器的類型為減速比20、法蘭盤安裝的直角減速器。

2.4 電子齒輪設(shè)定

即是設(shè)定電動機(jī)編碼器反饋脈沖與指令脈沖的比值[6]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Δl為脈沖當(dāng)量，相對于PLC每一脈沖信號滑臺的位移量,mm/脈沖；Δs為電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈滑臺的位移量,mm/r；Pf為PLG 4倍頻后編碼器脈沖數(shù)，脈沖/r；Pr.420/Pr.421為電子齒輪比。

已知減速機(jī)減速比為20，輸出軸齒輪分度圓周長為800 mm，則Δs=40 mm/r；編碼器分辨率為1 024脈沖/r，4倍頻后Pf=4 096脈沖/r；滑臺運(yùn)動速度與脈沖當(dāng)量的關(guān)系為v=Δl×f，滑臺最大移動速度為800 mm/s，變頻器輸入最高脈沖頻率100 kHz，Δl=0.008 mm/脈沖，考慮到計(jì)算方便，設(shè)為0.01 mm/脈沖。

則電子齒輪比為128:125，即Pr.420=128，Pr.421=125。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PROFIBUS-DP是主從通訊，通訊時主站周期性發(fā)出請求來讀寫從站的數(shù)據(jù)[7]，從站只需根據(jù)請求進(jìn)行響應(yīng)即可。S7-200作為DP從站將相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后放入通訊緩沖區(qū)。KR-360 I/O與S7-200地址對應(yīng)如表1所示。

3.1 通訊組態(tài)

定位模塊EM253在運(yùn)行前需要經(jīng)過原點(diǎn)校準(zhǔn)，為保證滑臺重復(fù)定位精度，安裝接近開關(guān)作原點(diǎn)，模鍛位和切邊位與原點(diǎn)的距離是經(jīng)過測量和調(diào)試的定值，確保機(jī)器人能到達(dá)指定位置。PLC開機(jī)后首先回原點(diǎn)校準(zhǔn)，然后根據(jù)設(shè)定的距離發(fā)出相應(yīng)的脈沖，變頻器根據(jù)脈沖驅(qū)動電動機(jī)，編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋，移動到位后電動機(jī)停轉(zhuǎn)同時制動器抱緊。

表1 機(jī)器人與PLC地址對應(yīng)表

機(jī)器人輸出PLC地址注釋機(jī)器人輸入PLC地址注釋GripperoffV2000夾鉗放松AutoV2640自動模式top1V2001去鍛壓位置atp1V2641在鍛壓位置top2V2002去切邊位置atp2V2642在切邊位置stopp1V2003禁止鍛壓打擊ReadyV2643準(zhǔn)備就緒p1injoutV2004鍛壓頂桿頂出ButtonwasteV2645按鈕：機(jī)器人甩料p1injbackV2005鍛壓頂桿收回ButtonstepV2644按鈕：機(jī)器人單步stopp2V2006禁止切邊打擊ButtonpauseV2646按鈕：機(jī)器人暫停Res-1V2007備用1P1topV2647鍛壓滑塊已上升到位Res-2V2010備用2p1injoutV2650頂桿已頂出Res-3V2011備用3p1injbackV2651頂桿已收回P2topV2652切邊滑塊已上升到位GripperoffV2000夾鉗放松AutoV2640自動模式top1V2001去鍛壓位置atp1V2641在鍛壓位置top2V2002去切邊位置atp2V2642在切邊位置stopp1V2003禁止鍛壓打擊ReadyV2643準(zhǔn)備就緒p1injoutV2004鍛壓頂桿頂出ButtonwasteV2645按鈕：機(jī)器人甩料p1injbackV2005鍛壓頂桿收回ButtonstepV2644按鈕：機(jī)器人單步

為保證安全，在模鍛位和切邊位各設(shè)計(jì)一個接近開關(guān)；為防止滑臺脫軌，在兩端極限位置各設(shè)計(jì)一個接近開關(guān)。由于鍛壓機(jī)和切邊機(jī)的歐姆龍PLC與S7-200距離較遠(yuǎn)且現(xiàn)場振動大，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，鏈路中增加中間繼電器。S7-200的I/O分配如表2所示。

表2 S7-200 I/O分配表

PLC輸入名稱元件PLC輸出名稱元件I00導(dǎo)軌正向運(yùn)動按鈕SB1Q00鉗夾緊中繼KA0I01導(dǎo)軌反向運(yùn)動按鈕SB2Q01制動器脫開中繼KA1I02夾鉗夾緊按鈕SB3Q02備用中繼KA2I03夾鉗松開按鈕SB4Q03變頻器故障指示燈L1I04急停按鈕SB5Q04已回零位指示燈L2I05備用Q05已到切邊位指示燈L3I06備用Q06已到模鍛位指示燈L4I07自動方式I10手動方式選擇開關(guān)SA0Q07備用Q10終鍛頂桿收回中繼KA3I11備用Q11禁止鍛造打擊中繼KA4I12回零點(diǎn)按鈕SB6Q12終鍛頂桿頂出中繼KA5I13手動去模鍛位按鈕SB7Q13備用I14手動去切邊位按鈕SB8Q14禁止切邊打擊中繼KA6I15已上使能變頻器端子RUNQ15備用I16定位完成變頻器端子SUQ16已上使能指示燈L5I17故障變頻器端子A1Q17定位完成指示燈L6I20機(jī)器人啟動按鈕SB9I21備用按鈕SB10I22使能接通按鈕SB11I23使能斷開按鈕SB12I24在模鍛位接近開關(guān)SQ2I25在切邊位接近開關(guān)SQ4I26零點(diǎn)接近開關(guān)SQ3I27備用

3.2 程序設(shè)計(jì)

S7-200程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通訊、設(shè)備控制和運(yùn)動控制3方面功能，其中運(yùn)動控制是關(guān)鍵程序，其主程序如圖3所示。

啟動前對模鍛位、切邊位和運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)設(shè)，經(jīng)測量和調(diào)試，預(yù)設(shè)初始速度VD100為800.0 mm/s，模鍛位VD112為248.3 mm，切邊位VD116為-1 425.5 mm。

具體1程序步如下：

(1)初始化程序段：急停按鈕為常閉開關(guān)，在急停按鈕位按下時M31.1為ON，標(biāo)志正常狀態(tài)。在未急停情況下，自動裝載已經(jīng)在向?qū)е信渲煤玫倪\(yùn)動控制參數(shù)，使能并初始化EM253。初始化程序如圖4所示。

(2)回原點(diǎn)程序段：在自動運(yùn)動之前，先要回原點(diǎn)校準(zhǔn)，在還未校準(zhǔn)(M30.1為ON)并且移動安全的情況下允許回原點(diǎn)；當(dāng)滑臺沒有移動，在手動模式下按下回原點(diǎn)按鈕，則滑臺按照向?qū)ьA(yù)設(shè)的運(yùn)動回原點(diǎn)，原點(diǎn)若找到則M12.2置位，若出錯則MB11不為0?；卦c(diǎn)程序如圖5所示。

(3)運(yùn)動到模鍛位：在已回原點(diǎn)校準(zhǔn)并且運(yùn)動安全的情況下，允許自動運(yùn)行；手動模式下按下移動到模鍛位按鈕，或者自動模式下機(jī)器人發(fā)出到模鍛位信號

時，滑臺移動到模鍛位，其移動的距離和速度由VD120和VD0預(yù)設(shè)。模鍛位程序如圖6所示。

(4)運(yùn)動到切邊位：在已回原點(diǎn)校準(zhǔn)并且運(yùn)動安全的情況下，允許自動運(yùn)行；手動模式下按下移動到切邊位按鈕，或者自動模式下機(jī)器人發(fā)出到切邊位信號時，滑臺移動到切邊位，其移動的距離和速度由VD124和VD0預(yù)設(shè)。切邊位程序如圖7所示。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)利用滑臺實(shí)現(xiàn)了鍛件搬運(yùn)中的精確定位，有效解決了機(jī)器人抓取力臂不夠的問題，提升了鍛造生產(chǎn)線的自動化水平，減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時對其他企業(yè)的生產(chǎn)線自動化改造有一定的借鑒意義。

[1] 蔣鵬.汽車前軸鍛造工藝[J].金屬加工：熱加工,2008(5):28-29.

[2] 榮云李,支茂,諶永祥. 鉚接機(jī)鈑金件鉚接的自動送板裝置的設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2016(4):90-94.

[3]西門子公司.西門子S7-200系統(tǒng)手冊[Z].德國: Simens AG Industry,2007.

[4] 三菱公司.三菱變頻調(diào)速器A700使用手冊[Z].上海: 三菱電機(jī)自動化(中國)有限公司,2008.

[5]姚瑤,苗維新.龍門鏜銑床角度銑頭的設(shè)計(jì)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床,2014(7):84-86.

[6]劉江.配置不同類型位置檢測裝置FANUC-0iC數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2008(3):150-152.

[7] 岳秋琴,熊清平.基于PROFIBUS-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2003(8):102-104.