基于PLC的齒輪淬火機床全自動上料機控制系統(tǒng)設計

張 華 楊 川

（重慶機電職業(yè)技術學院，重慶 402760）

1 背景介紹

齒輪是汽車重要的傳動部件之一，它具有傳動效率高、傳動比穩(wěn)定、工作可靠性高等特點。齒輪傳動對輪齒的強度、硬度、耐磨性等工藝要求較高，淬火是齒輪加工過程中必不可少的熱處理工序。齒輪淬火用齒輪淬火機床完成，目前淬火機床由人工上料，勞動強度大，一人操作一臺機床，效率低。人工上料已經(jīng)制約了企業(yè)生產(chǎn)，使企業(yè)生產(chǎn)成本上升。

基于上述原因企業(yè)提出了需求，設計一臺齒輪淬火機床全自動上料機。能與現(xiàn)有的齒輪淬火機床匹配，取代人工，讓一個人可以操作6至8臺機床，上料機的節(jié)拍能夠和齒輪淬火機床節(jié)拍匹配（1min加工10個），適應多品種的齒輪生產(chǎn)（直徑60～120mm，厚度10～20mm），最后設備要穩(wěn)定可靠，便于操作。

本文從企業(yè)需求出發(fā)設計了齒輪淬火機床全自動上料機。除了能夠應用于齒輪零件，還可用于鏈輪、齒圈等盤類零件。上料機主要由料倉系統(tǒng)、上料機械手兩大部分組成。控制系統(tǒng)主要采用PLC為控制核心，觸摸屏做人機交互的設計。

2 機械系統(tǒng)

上料機主要由料倉系統(tǒng)、上料機械手兩大部分組成，如圖1所示。料倉系統(tǒng)由基座、轉盤、提升滑臺組成。上料機械手由滑臺氣缸、上下料氣缸、手爪氣缸組成，其中轉盤上有8個獨立的料倉，每個料倉放置工件的數(shù)量由工件的數(shù)量所決定。

圖1 上料機三維實體造型圖

上料機料倉系統(tǒng)轉盤由交流電機帶動凸輪分割器實現(xiàn)轉盤精確定位。提升滑臺由直線導軌和滾珠絲杠構成，由步進電機驅動，準確提升工件到指定位置。上料機械手主要由氣動系統(tǒng)組成，由氣缸驅動，實現(xiàn)齒輪的準確抓取。料倉的高度為450mm，淬火機床加工的齒輪厚度為10mm，料倉可盛放的工件數(shù)量為450/10=45，料倉系統(tǒng)總共可以容納的齒輪為45×8=360個。機床加工效率為6個/min，人工一次裝件可自動運行的時間為360/6=60min。

3 工作過程原理

人工將一批齒輪裝入上料機轉盤當中，啟動上料機，上料機自動將轉盤料倉中的齒輪一個一個放入淬火機床中，自動工作過程如圖2所示。

圖2 上料機工作過程圖

4 控制系統(tǒng)硬件設計

4.1 系統(tǒng)組成

為了達到設備的運行穩(wěn)定性、可靠性、操作便捷等要求，選擇了以PLC為控制核心，使用HMI觸摸屏做人機交互設計來滿足上料機需求。控制系統(tǒng)硬件如圖3所示，主要有HMI人機觸摸屏、PLC、對射傳感器、光纖傳感器、接近開關、磁性開關、按鈕、步進電機、交流電機、指示燈與氣缸電磁閥。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成圖

4.2 PLC選型

根據(jù)企業(yè)維修人員對PLC的熟悉情況，在滿足設備控制需求的前提下，考慮到穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、售后服務等因素選用了臺達公司的DVP-ES2系列PLC為控制主機。上料機數(shù)字量輸入14個，步進電機脈沖及方向輸出2個，數(shù)字量輸出4個。考慮到后續(xù)的升級留取了備用口，選擇了臺達公司的DVP24ES200T型號，數(shù)字量輸入16個，輸出8個。

4.3 步進電機選型

步進電機主要用于驅動提升滑臺。提升滑臺為垂直安裝，使用滾珠絲杠傳動，絲杠導程為5mm。每組料倉高度容量為450mm，容納最大齒輪的直徑為Φ120mm。料倉最大提升齒輪的總質(zhì)量約為159kg，齒輪托盤為1kg，提升的最大質(zhì)量為160kg。伺服電機需要扭矩T=M×g×PB/2π=160kg×9.8m/s2×0.005mm/6.28=1.25N·m（M為提升負載質(zhì)量，G是重力加速度，PB為滾珠絲杠螺距）。考慮到啟動加速過程和運動過程的沖擊，將計算力矩提高2倍，即為2.5N·m。步進電機型號確定為57BYG250H。

5 控制軟件設計

上料機控制軟件設計主要有兩部分，一部分是PLC控制程序設計，一部分是HMI觸摸屏人機界面設計。

5.1 PLC程序設計

PLC程序使用臺達配套軟件DELTA WPLSoft編寫，主要由手動控制程序、自動運行程序構成，使用梯形圖和SFC圖結合編寫的方法編寫程序。核心部分自動運行程序流程圖如圖4所示。

圖4 自動運行程序流程圖

5.2 HMI程序設計

HMI選用的是威綸公司的TK6070IH觸摸屏，使用EasyBuilder8000軟件編寫畫面。主要由手動操作畫面、自動控制畫面、I/O查看畫面、報警畫面、幫助畫面等組成，圖5為手動操作畫面，每個畫面由狀態(tài)顯示區(qū)、按鈕操作區(qū)、主控按鈕區(qū)、窗口切換區(qū)等構成。

圖5 手動操作畫面

6 結語

本文根據(jù)企業(yè)的實際需求，設計了針對齒輪淬火機床的全自動上料機，能夠與現(xiàn)有的齒輪淬火機床配合，節(jié)拍效率能穩(wěn)定在10件/min，能夠適應多個品種的齒輪、鏈輪等盤類零件，穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性都達到企業(yè)的要求。

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