壓力機自動送料翻轉機構設計及PLC控制

石 軍，代璐蔚，洪 標，宋 霞，徐艷如，孫開成

(重慶理工大學 a.機械工程學院； b.材料科學與工程學院， 重慶 400054)

壓力機自動送料翻轉機構設計及PLC控制

石 軍a，代璐蔚b，洪 標b，宋 霞b，徐艷如b，孫開成b

(重慶理工大學 a.機械工程學院； b.材料科學與工程學院， 重慶 400054)

針對國內某沖壓廠現有人工生產線進行改造，結合實際需求和設計標準，設計了一套自動送料翻轉機構方案和液壓回路的設計，并且采用PLC控制液壓來驅動機械結構的翻轉。

自動化生產；沖壓；自動翻轉；液壓；PLC

隨著工業技術水平的發展與提高，以及勞動力成本的逐年增長，工業自動化成為工業發展的必然趨勢。

國內某廠對現有沖壓生產線進行技術改造，實現自動送料。目前，該沖床的翻轉送料、下料、操作沖床、負責涂油以及清理廢料需要大約7個人來操作。進行技術改造后，只需要1名工人來操作所有設備，自動化程度高，工人勞動條件改善，企業成本降低。

本文的主要任務是完成5 000 t沖壓機自動送料翻轉機構的結構設計，以及完整的機構控制系統液壓回路和PLC的設計。

1 翻轉機構的結構設計

1.1 翻轉機構的組成

本次設計的翻轉機構主要包括以下幾個部分：傳送裝置、擋板定位裝置、翻轉機液壓缸、翻轉架、夾緊裝置、液壓系統。

總體布局：包含滾筒組的安排布局、翻轉機的位置以及傳動機構的位置安排。

動力與傳動系統：主要有驅動滾筒的電機和驅動翻轉機的液壓缸，以及齒輪齒條。設計方案如圖1所示。

1.翻轉液壓缸1234; 2.滾筒輸送架; 3.滾筒; 4.傳感器1; 5.擋板升降液壓缸6; 6.傳感器2; 7.傳感器9; 8.傳感器6; 9.傳感器5; 10.夾緊液壓缸7; 11.傳感器3; 12.左側翻轉架; 13.右側翻轉架; 14.升降滾筒; 15.傳感器4; 16.滾筒升降液壓缸8; 17.驅動齒條液壓缸5

圖1 總體布局方案圖

1.2 翻轉機構的工作原理

設計一個5000 t沖壓機自動送料機的翻轉機構(180°翻轉)。原材料為:鋼材材質的板材，厚度 6～10 mm，長度最短1 m多，最長10 m多，寬度為400 mm，寬度最大變化為50 mm，質量為1 200 kg左右，采用液壓系統執行。 設定翻轉工件的最大尺寸為10 500 mm×400 mm×10 mm(長×寬×高)。

以擋板在水平方向上有50 mm的可調節空間，2個翻轉架下方的滾筒分別由4個(一共8個)液壓缸來驅動其上升和下降，翻轉翻轉架回位[1-2]。

送料過程中由12個液壓缸驅動擋板上升或者下降來翻轉工件，機構由液壓、機械、電控3個部分共同組成。如圖1所示，工件采用滾筒輸送，滾筒由電動機和鏈傳動來驅動。電機帶動滾輪傳送工件，當傳感器1有信號時液壓缸6(擋板)升起，將工件擋住準備送入翻轉架；傳感器2、4同時有信號且傳感器3、9沒有信號時，液壓缸6(擋板)下降，工件被傳送至翻轉架上方；傳感器3有信號時，工件到位，翻轉架下方滾筒停止轉動并且由液壓缸8驅動向下運動使工件落在翻轉架上；液壓缸5驅動齒輪齒條將右側翻轉架翻轉到左側，壓在工件上方，并且液壓缸與齒條之間是活動連接；傳感器5有信號時，右側翻轉架到位，液壓缸5自己退回原位；當工件在主動翻轉架和從動翻轉架中間時，16個液壓缸7將右側翻轉架壓緊，使工件夾緊。傳感器6有信號時，工件夾緊。翻轉液壓缸1、2、3、4驅動2個翻轉架夾著工件進行180°翻轉；傳感器7有信號時，液壓缸2、4到達死點位置，進行換向；傳感器4有信號時，翻轉到位，壓緊液壓缸7松開壓緊的翻轉架和工件；液壓缸1、2、3、4驅動左側擋住，由于工件形狀不一，所架下方滾筒再次轉動并且由液壓缸8驅動向上運動將工件頂起并將其傳送出翻轉架；傳感器2、4同時有信號，翻轉架回位，可以進行下一循環。整個過程由傳感器和PLC對其進行控制，使其平穩按序執行[3]。

1.3 機械部分的選型與計算

1.3.1 滾筒的設計

根據情況可以選用上海昱音機械有限公司生產的直徑為50 mm的單鏈輪，滾筒間距65 mm。滾筒用電動機帶動鏈條來驅動，電機選用同一廠商的配套設備[4]。

1.3.2 轉軸的設計

設軸的直徑為D=100 mm，軸上所需承受最大力為F=3 kN，所以軸承受的最大扭矩為：

T=F×D/2=150 000 N·mm

設翻轉架需要30s完成180°的翻轉，則軸上的轉速n=1 r/min。所以軸的功率為：

P=T×n/9 550 000=0.015 7 kW

軸的材料為40Cr，選出A0=112。

則軸的最小徑為：

所以取軸直徑為100mm可以滿足要求。再進行軸的強度校核，滿足強度要求。

1.3.3 軸承選型

為了使2個翻轉架可以在旋轉軸上自由翻轉，并且盡可能地減小直徑，所以選用厚度不大的英國GGB金屬復合軸承DTS10(其為滑動軸承)。

1.3.4 齒輪選型

根據需求選用武漢市思維克科技有限公司模數為6的直齒齒輪，型號為SG15-M6-25-75-2，JIS2級精度。

1.3.5 齒條選型

齒條也選用同一公司生產的SSFH-G齒條，JIS5級精度，型號為SSFH1.5-05G。實際需要齒條長度大約 200mm，因為只需旋轉180°，所以只需要行走半個齒輪周長的距離。并且還要注意齒條在向右移動時防止與右側滾筒發生碰撞[4-5]。

2 系統液壓回路設計

2.1 液壓回路設計

在整個系統中，需要用液壓缸的地方有：擋板的升降、工件的夾緊、右側翻轉架的轉動、左側翻轉架的翻轉、滾筒的升降。

如圖2和圖3所示，其中擋板的升降由于工件長度不一，所以需要12個液壓缸來帶動12個擋板；為了保證工件不會滑動,工件的夾緊要在翻轉架的3個邊上進行，所以需要16個液壓缸；右側翻轉架的轉動由齒輪驅動齒條轉動，所以只需要1個液壓缸驅動齒條即可；左側翻轉架的翻轉需要2對(4個)液壓缸，兩兩同步運行；滾筒的升降需要8個液壓缸，每4個一組安放在滾筒支架的4個角。

圖2 液壓回路

翻轉液壓缸需要兩兩保持同步，滾筒升降每4個一組也需要保持同步，由于允許有一定的誤差，所以選用分流集流閥來保證這幾個液壓缸能夠同步動作[6]。夾緊缸用節流閥調速，壓力繼電器來檢測壓力，從而保證夾緊壓力。擋板升降液壓缸用節流閥來調速[7]。

圖3 液壓缸動作循環圖

2.2 液壓缸選型計算

2.2.1 翻轉機液壓缸設計選型

工件的翻轉由2組液壓翻轉機來執行，每組液壓翻轉機包含2個液壓缸，機械臂受液壓驅動從而帶動工件完成180°圓周式的旋轉。設定每個液壓缸所需承受的最大載荷為3kN。

1) 液壓缸的工作壓力

設定每個液壓缸所受的最大載荷為3kN，翻轉機構液壓缸最大行程h=0.8 m，液壓缸運行速度v=0.1 m/s，液壓缸的機械效率η=0.90，則液壓缸的工作壓力[8]可以取P=1 MPa。

2) 缸筒的設計

(1)

式中：Fmax=3 000;P=1 MPa;η=0.90。 通過式(1)可以得出液壓缸內徑D=0.066 839 m，取D=80 mm。

3) 缸筒的壁厚和外徑設計

液壓缸內徑取80 mm。經查液壓設計手冊可得液壓缸的外徑為95 mm，缸壁的厚度為8 mm。

4) 活塞桿直徑設計

當活塞桿所受壓力P=1 MPa時，則d=0.5～0.55D，計算得：d=0.033 4 m，可以取活塞桿直徑d=36 mm。按照強度和抗彎性條件進行校核，符合要求。

當液壓缸到達死點位置時為液壓缸最大行程位置，行程大約為850 mm。根據以上數據選用HSGK01-80/dE型號液壓缸，采用耳環連接方式。速度比為2，其桿徑為55 mm，外徑為102 mm，最大行程為950 mm。

2.2.2 其他液壓缸的選型

同理，驅動右側翻轉架的液壓缸5可以選用驅動翻轉機構相同的液壓缸，行程為200 mm，采用端部法蘭連接。

滾筒升降液壓缸4個為一組，一共2組，每組分別需要將3個滾筒、支架和1個電機升起和下降。設定整個滾筒質量為100 kg，則每個液壓缸能夠承受25 kg即可使用。因此選用臺灣鉦通工業股份有限公司MDV250A-TB型號的高壓頂缸可以滿足要求[9]。

擋板升降液壓缸只需將擋板升起和下降即可，并無很大負載。為了方便，可以直接選用滾筒升降液壓缸所用的MDV250A-TB液壓缸。

夾緊液壓缸被固定安裝在左側翻轉架上，當右側翻轉架翻轉過來壓在左側工件之上時，夾緊液壓缸將其壓緊夾住工件。為了使右側翻轉架能夠順利翻轉到左側，夾緊液壓缸選用轉角液壓缸，其可以先進行90°旋轉，然后再向下壓緊。夾緊液壓缸一共有16個，所以平均每個液壓缸要施加312.5 N的力。每個液壓缸與翻轉架的接觸面積為2 cm2，則每個液壓缸應達到1.562 5 MPa。根據需求選用臺灣鉦通工業股份有限公司PHV/W350型號的低壓轉角缸可以滿足要求。

2.3 液壓泵選型

1) 確定液壓泵的最大工作壓力

Pp≥p1+∑Δp

(2)

式中：Pp為液壓缸最大工作壓力，取30 MPa；∑Δp為從液壓泵出口到液壓缸入口的管路流量損失，取0.3 MPa。則液壓泵的最大工作壓力Pmax=30.3 MPa。

2) 確定液壓泵的流量

Qp≥K(∑Qmax)

(3)

式中：K為系統泄漏系數，取1.2；∑Qmax為同時工作的液壓缸總流量，取80 L/min。則液壓泵的流量Qp=96 min。

根據壓力和流量選用CY14-1B型液壓泵，此液壓泵采用優盤和剛體旋轉的軸向柱塞泵[10]。因為滑靴和變量頭之間、配油盤和缸體之間使用了壓力平衡機構[11]，因此與其他類型一般的液壓泵相比具有結構簡單、體積小、效率高等優勢。

2.4 泵站電機選型

2.5 閥的選型

根據系統的壓力和流量，選用福州瑞森電氣設備有限公司生產的Z2FS16-3XS2雙單向節流閥，廊坊市邁創液壓設備有限公司的迪普馬高低溫MRQA溢流閥，德州力拓液壓機具廠的三維四通換向閥，廈門市福廈美科閥門有限公司生產的FJL-B20H-S分流集流閥[12-14]。

3 PLC控制系統設計

3.1 系統功能設計

本控制系統所需要實現的功能是，在PLC接收到傳感器信號和開關信號后通過控制電磁閥和繼電器來控制液壓缸和電機，從而讓工件翻轉能夠全自動完成，并且在停止后如果設備不在原位可以進行手動回位操作。

3.2PLC選型

為了選擇合適的PLC，應先確定輸入點和輸出點個數，所選的PLC輸入輸出點應大于所需個數。

PLC輸入點包括：9個傳感器信號和泵站電機啟動，系統啟動、停止按鈕以及4個手動按鈕共7個開關量信號，一共16個輸入點，全為數字信號[3]。

PLC輸出點包括：14個電磁閥和1個泵站電機交流接觸器，以及5個滾動電機的交流接觸器，一共20個輸出點，全為數字信號。

本設計選用西門子的PLC，查閱選型手冊后選定西門子S7-300型PLC。西門子S7-300型PLC最大的特點是模塊化，用戶可以根據需求先選擇CPU型號，然后再根據輸入輸出點個數、輸入輸出信號模式來選擇輸入輸出模塊。

根據16個輸入點和20個輸出點選定西門子S7-300型PLC的CPU型號為CPU313C-2PtP的緊湊型PLC，其輸入輸出點個數均為16個。輸入點個數剛好滿足要求，而輸出點個數不足，于是需要再添加一個輸出點模塊。選用SM322輸出點模塊，其包含4個數字信號輸出點，與PLC輸出點加在一起一共是20個輸出點，滿足所用需求。

西門子S7-300型PLC為模塊化的PLC，除了選擇CPU和輸出點模塊外，還需選擇一個電源模塊，這里選擇PS307 2A_1電源模塊，其輸入電壓為120/230VAC，輸出電壓為DC24V，輸出電流為2A，能滿足設備要求。

3.3 傳感器選型

傳感器2、4是檢測2個翻轉架是否在原位上，并且原位位置固定，所以直接用接近開關傳感器即可。傳感器7、8是為了檢測液壓缸在翻轉時是否到達死點位置，檢測位置固定，也選用接近開關，選用MISUMI的EM3-12S屏蔽2線式接近開關。

傳感器1是用來檢測上方是否有工件，防止工件與傳感器間距離過大，所以選用紅外傳感器。傳感器3、9是檢測是否有工件，由于工件長度很長而且有形狀變化，所以也選用紅外傳感器,選用博得bode方形紅外傳感器。

3.4 壓力繼電器選型

為了保證夾緊缸能夠達到設定夾緊力后再翻轉，需要對夾緊力進行檢測，選用臺灣TWOWAY臺肯壓力繼電器。

3.5PLC電器原理

圖4中，PLC分別擁有16個DI/DO接口，其輸入接口與傳感器以及開關相連，其輸出接口與中間繼電器KA相接，輸入輸出口接線均使用PLC自帶的內置電源。其中輸入端的1L+接口為公共端，且為24V直流電源正極，接線從此接出將9個傳感器并聯之后與7個開關相接，最后接回1M端口。輸出口與輸入接口供電有所區別，輸出端的2L+與3L+為電源正極，但不是公共端，而2M與3M為電源負極并且為公共端。接線從2個正極接出分別接8個中間繼電器后再接回PLC的16個輸出接口，電流先經過中間繼電器后流回輸出端[3]。

圖5為5個中間繼電器與5個電動機的交流繼電器接線，其接線電為220V交流電。

圖6為14個中間繼電器與三位四通上14個電磁閥的接線，其接線電為24V直流電。

圖4 PLC電器原理圖

圖5 中間繼電器與繼電器開關

3.6PLC程序設計

程序流程如圖7所示。本程序所要實現的主要功能是讓工件翻轉自動完成，且在停止后可以手動回位。自動控制通過傳感器信號以及開關信號輸入PLC[3]，然后通過控制電磁閥來控制液壓缸，以及通過控制交流繼電器來控制電動機。

圖7 程序流程

4 結束語

該自動化生產翻轉機構克服了人工操作的缺點，具有操作簡單、工作可靠、工作效率高的特點，并且自動化生產大大降低了勞動成本，提高了產量和收入。

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(責任編輯 林 芳)

Design and PLC Control of Automatic Feeding and Turning Mechanism of Press

SHI Juna, DAI Luweib, HONG Biaob, SONG Xiab, XU Yanrub, SUN Kaichengb

(a.College of Mechanical Engineering; b.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

According to the existing production line of a stamping plant in our country, this paper, introduced an automatic feeding flip mechanism program and hydraulic circuit design combined with the actual demand and design standards, and PLC is used to control the hydraulic pressure to drive the mechanical structure of flip.

automated production；punching press；auto flip；hydraulic pressure；PLC

2017-03-09 基金項目：企業橫向課題(2016Q145)

石軍(1969—),男,重慶人,高級工程師,主要從事自動化控制及機電一體化方面的研究，E-mail：shijun@cqut.edu.cn。

石軍，代璐蔚，洪標，等.壓力機自動送料翻轉機構設計及PLC控制[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):57-64.

format：SHI Jun, DAI Luwei, HONG Biao,et al.Design and PLC Control of Automatic Feeding and Turning Mechanism of Press[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):57-64.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.009

TH137

A

1674-8425(2017)08-0057-08