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        基于PLC的油壓機(jī)的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)

        2024-12-28 00:00:00張?chǎng)挝?/span>管敏汪輝馬瑞辰
        今日自動(dòng)化 2024年10期
        關(guān)鍵詞:油壓機(jī)自動(dòng)化

        [關(guān)鍵詞]油壓機(jī);自動(dòng)化;PLC

        [中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487(2024)10–0096–03

        粉末冶金是以金屬或非金屬粉末的混合物為原料,經(jīng)過成型和燒結(jié),制取金屬材料、復(fù)合材料及各種類型制品的工業(yè)技術(shù)。其中成型是將混料裝入模具,重壓制成具有一定形狀、尺寸及密度的型坯的過程。在油壓機(jī)生產(chǎn)的過程中,工人需要連續(xù)拆裝、移動(dòng)近20kg的模具,勞動(dòng)強(qiáng)度大,且工人距離油壓機(jī)較近,生產(chǎn)過程中的安全、粉塵、噪聲等問題也難以解決。另外,由于工人操作水平參差不齊、人員定期輪崗等因素,產(chǎn)品良率難以穩(wěn)定,增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。因此對(duì)該型油壓機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造,是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全的必由之路,也是現(xiàn)代制造業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。

        1總體設(shè)計(jì)方案

        YT70-500型油壓機(jī)包含了料倉(cāng)、給料器、布料器、布料模組、脫模劑噴嘴、壓機(jī)、脫模墊塊、氣動(dòng)手指、取料直線模組、料盤移動(dòng)模組、成品料盤等主要部件。其工作過程為:設(shè)備通電自檢→給料器按照設(shè)定的重量稱量粉料至秤斗→秤斗放料至布料器料槽內(nèi)的同時(shí),脫模劑噴嘴向模腔內(nèi)均勻噴入脫模劑→布料模組帶動(dòng)布料器下料的同時(shí),在模腔內(nèi)來回移動(dòng),將粉料均勻散入模腔→布料器退回后,壓機(jī)主缸下降壓制產(chǎn)品,壓制完畢主缸退回→左右脫模氣缸將脫模墊塊推入→壓機(jī)主缸再次下壓,壓機(jī)沖頭通過脫模墊塊將模具中的模板下壓,完成產(chǎn)品脫模→夾取手指在取料直線模組驅(qū)動(dòng)下,與料盤移動(dòng)模組聯(lián)動(dòng)完成產(chǎn)品擺盤→料盤移動(dòng)模組將料盤移出,等待更換空盤。至此,完成由粉料到產(chǎn)品的全過程。

        結(jié)合改造后的油壓機(jī)工作過程,設(shè)計(jì)油壓機(jī)控制系統(tǒng),以SIMATICS7-1200PLC為核心控制器,通過稱重傳感器、光電傳感器、中間繼電器、交流接觸器及電磁閥等器件,監(jiān)測(cè)控制稱料重量、布料速度、布料均勻性、壓頭位置、脫模劑噴灑的均勻性、氣動(dòng)手指夾取的準(zhǔn)確性及擺盤位置等參數(shù)行為。

        根據(jù)該型油壓機(jī)的功能,將其細(xì)化為稱量模塊、布料模塊、壓制脫模模塊及取料擺盤模塊4部分進(jìn)行設(shè)計(jì),總體設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

        2稱量模塊

        穩(wěn)定且精確的自動(dòng)化稱量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素,為此特研發(fā)了專用于鉬金屬粉末的稱量模塊。稱量模塊主要由給料器、稱量斗、稱量支架及稱重傳感器構(gòu)成。當(dāng)稱量模塊進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后,稱重控制系統(tǒng)啟動(dòng)給料器通過振動(dòng)以物料流的方式向稱量斗給料,稱量斗下方的稱重傳感器則將粉料重量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并傳輸給PLC控制器。當(dāng)物料重量達(dá)到設(shè)定值時(shí),停止給料,完成動(dòng)態(tài)稱重過程。此時(shí)系統(tǒng)通過光電傳感器檢測(cè)到布料模組到達(dá)放料位置,PLC控制器發(fā)出控制信號(hào)打開稱量斗卸料,物料進(jìn)入布料器料槽內(nèi),卸料完畢后稱量斗自動(dòng)復(fù)位。給料器設(shè)置快、慢兩級(jí)給料方式,其快、慢給料的速度均可單獨(dú)調(diào)整,從而保證稱重傳感器滿足計(jì)量的準(zhǔn)確度和速度要求。

        3布料模塊

        均勻布料是確保壓制出合格鉬坯的重要因素。鉬粉顆粒在運(yùn)動(dòng)形式上具備與液體相似的流動(dòng)性,但是由于顆粒間相對(duì)移動(dòng)時(shí)存在摩擦,以及顆粒間的相互楔持,粉末的流動(dòng)又在一定程度上受到限制。松散的粉末以散狀流動(dòng)的方式裝入模腔時(shí),因粉末間的摩擦和粉末與模腔側(cè)壁的摩擦,使得粉末在模腔中很容易產(chǎn)生顆粒間的“拱橋”現(xiàn)象,導(dǎo)致布料不均。在壓制初期,鉬坯各橫截面上的粉末受力相同,鉬粉顆粒只產(chǎn)生柱式流動(dòng),不產(chǎn)生橫向流動(dòng)。然而到了壓制后期,特別是接近壓制成型的瞬間,因壓制壓力極大,鉬坯中某一橫截面上的鉬粉顆??赡軐?duì)相鄰截面產(chǎn)生足夠大的側(cè)壓力,使其發(fā)生橫向滑動(dòng)。這種滑動(dòng)的出現(xiàn),使得鉬粉顆粒與模壁之間的側(cè)壓力增大,成型的靜壓力減小,導(dǎo)致脫模阻力增大。此外,這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致鉬坯內(nèi)部出現(xiàn)滑動(dòng)面,造成鉬坯一出模就有裂紋,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)掉角、掉邊等現(xiàn)象。

        為解決該問題,設(shè)計(jì)了直線模組與布料器組合的布料模塊,布料器負(fù)責(zé)將料槽內(nèi)的粉料均勻穩(wěn)定地送出,借助適配于模腔寬度的料槽出口,使粉料可以在寬度范圍內(nèi)均勻落入模腔。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線模組帶動(dòng)布料器在模腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),并通過PLC核心控制器對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化控制,使得粉料能夠在模腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)均勻散布。二者經(jīng)PLC控制聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)可以使模腔內(nèi)粉料均勻分布,從而保證壓制出的成品達(dá)到工藝要求。

        4壓制脫模模塊

        壓制脫模模塊是該型壓機(jī)的核心模塊,改造過程中主要面臨兩個(gè)問題:①手動(dòng)組合模具可以拆開,方便脫模,而改為自動(dòng)化壓制脫模則需設(shè)計(jì)新的專用模具,并制作專用脫模劑,方可實(shí)現(xiàn)原本功能;②更換新模具后產(chǎn)生的產(chǎn)品開裂問題,以設(shè)計(jì)全新模腔結(jié)構(gòu)的辦法得以解決。

        4.1新型專用模具

        此次改造是基于原有油壓機(jī)做自動(dòng)化升級(jí),原油壓機(jī)適用于手動(dòng)組合模具生產(chǎn),只有一個(gè)主缸,并未設(shè)置下缸,且該壓機(jī)結(jié)構(gòu)上并不允許增加下液壓缸,常規(guī)的自動(dòng)化壓機(jī)工作原理并不適用。因此設(shè)計(jì)制作了新型專用模具,其操作流程如下:在布料模塊將粉料充填入模腔后,主缸下壓,帶動(dòng)上沖頭進(jìn)入模腔進(jìn)行預(yù)壓→預(yù)壓后,上沖頭四周圍板與模架接觸,隨著主缸繼續(xù)下壓,上沖頭與模架同時(shí)下移,完成強(qiáng)制浮動(dòng)壓制→壓制并保壓后,主缸退回,帶動(dòng)上沖頭復(fù)位,模架在彈簧作用下隨之復(fù)位→模具兩側(cè)氣缸將脫模墊塊推入,主缸再次下壓,通過脫模墊塊將模架下壓至脫模位置,使得成品完全露出模具→由氣動(dòng)手指夾走鉬坯,主缸退回,兩側(cè)脫模墊塊復(fù)位。至此,完成一次壓制循環(huán)。

        專用模具的使用后無須對(duì)油壓機(jī)進(jìn)行大的改動(dòng),可利用主液壓缸連續(xù)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的壓制和脫模。

        4.2專用脫模劑

        對(duì)于改造后的自動(dòng)化壓機(jī)來說,要將壓好的鉬坯從模腔中脫出,除應(yīng)設(shè)計(jì)合理的脫模機(jī)構(gòu)外,還應(yīng)具備足夠的脫模力,這是鉬坯完整脫模的必要條件。在一般的壓制條件下,脫模力的大小與壓制壓力呈一定的線性關(guān)系,而制約這種關(guān)系的則是鉬坯與模壁的摩擦系數(shù)。對(duì)于相同基體的粉末而言,如使用適量且適配的脫模劑,則能大幅降低鉬坯與模壁間的相對(duì)摩擦系數(shù),減小脫模力。

        在測(cè)得該油壓機(jī)所使用的鉬粉費(fèi)氏粒度為3.5~3.8μm、松裝密度約為1.5g/cm3后,經(jīng)過大量試驗(yàn),配制了專用脫模劑并設(shè)計(jì)了合理的噴涂方式。該型脫模劑沒有采用粉料中混合脫模劑的方式,而是將脫模劑噴涂于模具表面,因此用量極少,且脫模劑在高壓釋放后分解的產(chǎn)物是氣體,因此不會(huì)影響成品質(zhì)量。在實(shí)際使用過程中,能減少50%~60%脫模力,提高了產(chǎn)品的良率,延長(zhǎng)了模具的使用壽命。

        4.3模腔設(shè)計(jì)

        在使用新型模具和脫模劑的試運(yùn)行中,發(fā)現(xiàn)鉬粉在壓制過程中開裂分層,經(jīng)分析,開裂原因主要是鉬坯的彈性后效。

        彈性后效是指在卸載壓制壓力,并把板坯脫模之后,板坯自發(fā)發(fā)生的彈性膨脹現(xiàn)象。粉料在壓制過程中,粉料顆粒受到壓制壓力發(fā)生彈性形變。因此,在成型板坯中就存在因彈性形變而貯有的彈性勢(shì)能,從而聚集起較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)壓制壓力卸載后,聚集起的內(nèi)應(yīng)力就會(huì)改變顆粒間的接觸狀態(tài)和外形,使粉末顆粒的彈性變形得以恢復(fù),于是板坯就產(chǎn)生了彈性膨脹的現(xiàn)象。而板坯的彈性膨脹又會(huì)直接導(dǎo)致顆粒接觸區(qū)域應(yīng)力的降低和顆粒間接觸面積的減少,這種變化不是在所有的顆粒間均勻進(jìn)行,所以局部區(qū)域的顆粒間黏結(jié)就會(huì)遭到破壞。最終,這種不均勻的彈性膨脹就會(huì)導(dǎo)致板坯出現(xiàn)裂紋和分層。

        采用新型模具壓制時(shí),模腔為整體結(jié)構(gòu),壓力卸載后,板坯受模腔限制,應(yīng)力無法釋放。在脫模時(shí),板坯上半部分脫出模腔,由于彈性膨脹尺寸增大,而下半部分受模腔約束不能形變,極易產(chǎn)生極大的剪切力。當(dāng)剪切力超過鉬坯強(qiáng)度時(shí),便會(huì)垂直于脫模方向產(chǎn)生裂紋,甚至?xí)?dǎo)致鉬坯開裂為上下兩半。

        為解決該問題,設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用3種壓力對(duì)同一規(guī)格的產(chǎn)品分別進(jìn)行壓制,每種壓力抽樣5塊,取密度平均值,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,板坯在壓制過程中,壓力上升,板坯強(qiáng)度與密度均增加,但當(dāng)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至21MPa時(shí),部分產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋。

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,并對(duì)模腔做出改進(jìn),將模腔分為成型段和脫模段。成型段按照鉬坯外形尺寸加工,在脫模段加工出拔模錐度,并對(duì)模腔上邊沿做倒圓角處理。使用改進(jìn)后的模腔進(jìn)行試驗(yàn),在脫模過程中,彈性后效發(fā)生的過程變得緩慢而均勻,逐漸向四周釋放應(yīng)力,在脫出模腔時(shí),鉬坯內(nèi)應(yīng)力基本釋放完畢,鉬坯達(dá)到工藝要求。

        5取料擺盤模塊

        為提高生產(chǎn)效率、保障工人安全,在鉬坯脫模后,設(shè)計(jì)了取料擺盤模塊。該模塊采用氣動(dòng)手指作為抓取機(jī)構(gòu),通過調(diào)節(jié)氣源壓力控制抓取力的大小,避免因抓取力過小導(dǎo)致鉬坯墜落,或抓取力過大使得鉬坯產(chǎn)生裂紋。另外還對(duì)氣動(dòng)手指進(jìn)行了改造,在與鉬坯接觸的部位采用柔性材料,以保護(hù)其表面不會(huì)受損。

        料盤則采用由PLC控制器控制的十字模組,與氣動(dòng)手指聯(lián)動(dòng),將鉬坯整齊擺放于料盤中,料盤內(nèi)鋪設(shè)柔性材料以保護(hù)鉬坯不會(huì)因碰撞而受損。當(dāng)料盤擺放滿后,自動(dòng)移出并暫停,由工人對(duì)鉬坯進(jìn)行清理和檢驗(yàn)后,更換空置料盤,繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。

        6改進(jìn)結(jié)果

        6.1降低勞動(dòng)強(qiáng)度

        改造前,工人需要手動(dòng)完成鉬粉稱量、清理并組合模具、裝粉刮平、推入油壓機(jī)壓制、拆模取出產(chǎn)品等一系列復(fù)雜操作,勞動(dòng)強(qiáng)度大。

        改造后,工人只需加料和更換料盤,其他動(dòng)作均由設(shè)備自動(dòng)完成,大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

        6.2提高安全性

        改造前,工人工作中肢體會(huì)進(jìn)入壓機(jī)沖頭行程空間,如果油壓機(jī)控制系統(tǒng)失靈或誤操作,均存在被夾傷的風(fēng)險(xiǎn)。另外,該型油壓機(jī)最大壓力為500t,在生產(chǎn)過程中工人緊挨油壓機(jī)站立,一旦油壓機(jī)或模具損傷,飛濺的物體均有傷人的風(fēng)險(xiǎn)。此外,長(zhǎng)期在粉塵空間進(jìn)行重體力勞動(dòng),對(duì)個(gè)人正常的生活、工作都會(huì)有較大的影響。

        改造后,生產(chǎn)過程避免工人參與,減少了操作失誤和意外造成的安全問題,也保護(hù)了工人的身體健康。

        6.3提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率

        改造前,因工人操作水平不一導(dǎo)致產(chǎn)品良率波動(dòng)較大。通過對(duì)油壓機(jī)改造,全程由設(shè)備自動(dòng)完成生產(chǎn),且可以由1人值守多臺(tái)設(shè)備,大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率。

        7結(jié)束語

        針對(duì)YT70-500型油壓機(jī),以PLC為核心對(duì)其進(jìn)行了自動(dòng)化改造,通過各模塊的聯(lián)動(dòng)協(xié)作,實(shí)現(xiàn)由鉬粉到鉬坯的全自動(dòng)生產(chǎn),大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省了企業(yè)的生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率,為同類型設(shè)備的自動(dòng)化改造提供了參考。

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