安 靜，王雪梅

（濱州渤海活塞有限公司 山東省發(fā)動(dòng)機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濱州 256602）

0 引言

帶有內(nèi)冷通道的活塞在澆鑄時(shí)使用鹽芯，鑄造完成后需要使用清洗設(shè)備沖洗出內(nèi)冷通道內(nèi)的鹽芯，如果內(nèi)冷通道內(nèi)有鹽渣殘留，會(huì)造成加工后清潔度超差。目前大直徑活塞自動(dòng)生產(chǎn)線大多僅完成活塞的尺寸加工作業(yè)，活塞的沖洗及吹干需要在線外使用清洗設(shè)備手動(dòng)完成，工作效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著主機(jī)廠家對(duì)活塞的清潔度等要求日益提高，在原自動(dòng)生產(chǎn)線的尾端加裝自動(dòng)清洗單元是非常必要的。

設(shè)計(jì)一加裝在原活塞自動(dòng)生產(chǎn)線尾端的自動(dòng)上、下料的清洗設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大直徑活塞的清洗及吹干過程自動(dòng)化，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的思想，利用西門子TIA 博途集成軟件完成邏輯運(yùn)動(dòng)控制，并在控制程序編寫時(shí)采納標(biāo)準(zhǔn)化理念PackML 作為指導(dǎo)，將設(shè)備基于狀態(tài)進(jìn)行劃分，為自動(dòng)化設(shè)備控制程序編寫研究出通用方法，提高自動(dòng)生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 設(shè)備構(gòu)造

設(shè)備采用桁架運(yùn)輸物料的模式，整體分為桁架及機(jī)械手、清洗機(jī)和料道三大部分。機(jī)械手從原自動(dòng)生產(chǎn)線的下料料道側(cè)裝卸物料，桁架運(yùn)輸物料至清洗機(jī)工作臺(tái)。為提高裝卸物料的節(jié)拍，桁架及機(jī)械手部分由一個(gè)水平模組和兩個(gè)豎直模組組成，每個(gè)豎直模組帶有一個(gè)機(jī)械手，分別定義為裝載模組A（左）和卸載模組B（右）。機(jī)械手A 從料道上抓取待清洗的活塞，機(jī)械手B從清洗機(jī)工作臺(tái)先抓取已清洗完畢的活塞，將其移出清洗機(jī)，再由機(jī)械手A 將待清洗的活塞放至清洗機(jī)工作臺(tái)。桁架及機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1 所示。水平和豎直方向的位置移動(dòng)都采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，豎直方向的兩個(gè)機(jī)械手動(dòng)作由氣缸實(shí)現(xiàn)。

圖1 桁架及機(jī)械手結(jié)構(gòu)

清洗機(jī)的床身整體采用不銹鋼焊接方式，全周包覆不銹鋼板，具有良好的密封性，能有效防止水汽、沖洗的渣屑等飛濺到機(jī)身外側(cè)。清洗機(jī)采用集成式的泵站，清洗液流經(jīng)分水塊和外置可調(diào)節(jié)噴嘴，可有效完成對(duì)活塞裙部、環(huán)槽等部位的沖洗，分流的部分清洗液流經(jīng)專用工裝，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)冷通道和內(nèi)腔的沖洗。沖洗完成后，經(jīng)由過濾器的空氣輸送至分氣塊，完成對(duì)已沖洗工件的吹氣清潔。原活塞生產(chǎn)線在各個(gè)加工機(jī)床間的物料移送采用的為環(huán)形料道的模式，在原料道上增加活塞阻擋氣缸及檢測(cè)傳感器，通過加裝在原料道上的機(jī)構(gòu)完成活塞的定位阻擋功能。

2 設(shè)備工作原理

全自動(dòng)活塞清洗設(shè)備采用桁架組合清洗機(jī)的模式，可完成活塞的自動(dòng)上下料及清洗功能，其工作流程如圖2 所示。整個(gè)過程主要分為原生產(chǎn)線料道側(cè)的物料裝卸和清洗機(jī)側(cè)的物料裝卸兩大部分。原生產(chǎn)線料道側(cè)的物料進(jìn)行裝卸時(shí)，尺寸加工完成后待清洗的活塞被運(yùn)送至環(huán)形料道定位處，檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有物料后，阻擋氣缸動(dòng)作，上料機(jī)構(gòu)伸出阻擋住活塞，系統(tǒng)識(shí)別裝載手爪A 為空后，水平模組移動(dòng)至裝夾位抓取待清洗的活塞，系統(tǒng)判斷卸載手爪B 是否抓取著清洗完的活塞，如果有則水平電機(jī)移動(dòng)到放料位卸料，檢測(cè)傳感器感應(yīng)到有物料后，阻擋氣缸退回，將清洗完的活塞放行。

圖2 全自動(dòng)活塞環(huán)清洗設(shè)備工作流程

豎直方向的模組都上升到位后，水平模組移動(dòng)至清洗機(jī)上方等待進(jìn)行物料裝卸。當(dāng)檢測(cè)到清洗完成信號(hào)后，清洗機(jī)天窗開啟，卸載模組B 動(dòng)作取出清洗機(jī)內(nèi)清洗完成的活塞，模組上升到位后，水平方向模組移動(dòng)至清洗機(jī)放料位，裝載模組A 動(dòng)作將抓取著的待清洗活塞放入清洗機(jī)內(nèi)，模組上升到位后，清洗機(jī)天窗關(guān)閉進(jìn)行清洗作業(yè)。為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，水平模組移動(dòng)至料道側(cè)等待物料裝卸。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)按照硬件構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、控制程序和人機(jī)交互界面開發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件的構(gòu)成決定控制系統(tǒng)框架。全自動(dòng)活塞清洗設(shè)備的控制系統(tǒng)采用西門子1500 系列PLC；為便于人員操作、提高可視化程度選用西門子觸摸屏KTP900；為優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)布線方式，在原生產(chǎn)線料道側(cè)和清洗機(jī)處采用ET200SP 系列的遠(yuǎn)程I/O 模塊；水平和豎直模組選用西門子系列的伺服電機(jī)和SINAMICS V90 PN 伺服驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與控制程序設(shè)計(jì)同樣重要，它是將控制系統(tǒng)由部分整合為整體的基礎(chǔ)。TIA（Totally Integrated Automation）博途是西門子研發(fā)的全集成自動(dòng)化工具平臺(tái)，可快速進(jìn)行工程組態(tài)、PLC 編程、HMI 界面設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置等。在TIA 博途中組態(tài)如圖3 所示。

圖3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

控制程序的編寫是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。起源于包裝行業(yè)的PackML 理念近年來逐漸成熟，可適用于一般工業(yè)設(shè)備邏輯控制。全自動(dòng)清洗設(shè)備基于此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PLC 程序的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。PackML 的核心思想是定義控制系統(tǒng)的模式及狀態(tài)，并為各個(gè)模式下不同狀態(tài)間的互相切換提供統(tǒng)一規(guī)則。設(shè)備有停止（Stopped）、復(fù)位中（Reseting）、等待（Idle）、正常執(zhí)行（Execute）、暫停中（Suspending）、已暫停（Suspended）、取消暫停中（Un-Suspending）、進(jìn)入異常中（Aborting）和異常停機(jī)（Aborted）這九個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)下清洗機(jī)及移動(dòng)電機(jī)的控制有不同的輸出狀態(tài)。

全自動(dòng)清洗設(shè)備分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，每個(gè)模式下不同的狀態(tài)清洗機(jī)及移動(dòng)電機(jī)的控制有不同的輸出狀態(tài)。套用標(biāo)準(zhǔn)化編程框架后，要做的編程工作簡(jiǎn)化為編輯各個(gè)狀態(tài)下元部件的輸出狀態(tài)及編輯各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化條件，即電機(jī)或電磁閥的得失電狀態(tài)和狀態(tài)切換的條件，提高程序開發(fā)效率的同時(shí)保證不同編程人員編輯程序的一致性。

設(shè)備的界面主要分為狀態(tài)機(jī)切換、移動(dòng)機(jī)械手A、B 控制、清洗機(jī)的沖洗參數(shù)設(shè)置、料道側(cè)阻擋控制、報(bào)警等五個(gè)界面。移動(dòng)機(jī)械手參數(shù)中關(guān)于水平電機(jī)的移動(dòng)速度、移動(dòng)點(diǎn)位等參設(shè)置界面如圖4 所示。

圖4 水平電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面

4 結(jié)束語

通過對(duì)原生產(chǎn)線的改造及清洗單元桁架的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出自動(dòng)上下料的清洗設(shè)備，其擁有友好的人機(jī)交互界面，沖洗時(shí)間及電機(jī)移動(dòng)速度、移動(dòng)點(diǎn)位等都可通過操作屏修改。設(shè)備采用近年來被廣泛使用的PackML 標(biāo)準(zhǔn)化理念進(jìn)行模式狀態(tài)的劃分，并在控制系統(tǒng)編程軟件內(nèi)基于此理念進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)程序的封裝編寫，先將設(shè)備的狀態(tài)模式切換套用標(biāo)準(zhǔn)的程序框架，后將設(shè)備按照功能等標(biāo)準(zhǔn)分為多個(gè)工位，僅需要編輯工位包含部件的組成程序和工位的工藝程序，將編程過程模式化、標(biāo)準(zhǔn)化，縮短控制程序設(shè)計(jì)周期。為自動(dòng)化設(shè)備的程序編寫確立統(tǒng)一控制模式及狀態(tài)，提高不同人員編程的一致性。