機器人滑臺在汽車前軸鍛造生產線的應用*

吳何畏 鄭元一② 高成慧 劉亞麗

(①湖北文理學院機械與汽車工程學院, 湖北 襄陽 441053；②湖北三環車橋有限公司，湖北 襄陽 441700)

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

三環車橋采用精密輥鍛-整體模鍛工藝[1]生產前軸，具體工序(如圖1)為：

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

(2)加熱好的圓鋼在輥鍛機上軋制4次，初步成型。

(3)輥鍛成型的工件由液壓機械手搬運到摩擦壓力機上，在打彎模具上打彎。

(4)打彎完畢的工件由人力或者機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至切邊機中去除飛邊。

(6)鍛件經過熱校正完成鍛造工序，經過碼放和冷卻后得到鍛造成品。

1 總體設計方案

按照生產工藝要求，高溫大質量鍛件在關鍵工位之間需要多次搬運，現場人員使用電葫蘆作業，效率和安全性很低，擬在前后級工序之間使用機器人進行搬運，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，考慮到工件搬運中的回轉距離、機器人本體與模具之間的安全距離，機器人作業半徑至少需要3 200 mm；毛坯質量為110～130 kg，液壓爪鉗質量為50 kg，市面上能承載180 kg工作負載的機器人作業半徑為2 400～2 800 mm，因此常規固定座機器人的作業半徑不足，需要用滑臺來實現機器人的移動[2]。

另外，工件從終鍛模具搬運到切邊模具時，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 機器人選型

機器人應滿足作業半徑、工作載荷的設計要求，同時應滿足通訊協議和數據傳輸的開放性的需求。選用KR 360-2F型號的機器人，該機器人重量為2 385 kg，最大負載360 kg，作業半徑2 826 mm。

1.2 控制及驅動選型

驅動系統的控制對象總重3 600 kg，要求原動機調速范圍大、機械特性硬度高，設計時考慮了交流變頻和交流伺服兩種閉環控制方案，伺服系統有極高的運動控制精度，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輸出連續脈沖給變頻器，電動機上增加編碼器實現位置反饋，能夠保證運動精度的設計要求。

通訊方面，選用PROFIBUS作為現場總線，機器人加裝PROFUBUS DP通訊卡CP5614，S7-200則擴展通訊模塊EM277以實現與機器人的通訊，擴展定位模塊EM253以實現滑臺運動的精確控制，擴展數字量模塊EM221以實現與鍛壓機和切邊機的歐姆龍PLC信號傳遞[3]。電氣系統結構如圖2所示。

2 驅動系統設計

根據負載、功率、運動速度和運動精度來對電動機和傳動系統進行選擇。

2.1 電動機選型

滑臺總重3 600 kg，設計采用車輪支持滑臺，鋼質車輪與鋼軌之間的滾動摩擦系數為0.05～0.07，最大靜摩擦系數為0.1～0.15，那么需要驅動系統的輸出力至少為5 300 N(計算過程略)。工件搬運時滑臺有3 000 mm移動距離，為提高效率，設計有加、減速周期，其最大運動速度以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電動機和三菱A700變頻器[4]。變頻器設置為矢量控制模式，加裝FR-A7AP接收編碼器脈沖反饋，與PLG電動機配合使用，可實現與伺服電動機類似高響應、高精度的速度控制、轉矩控制、位置控制。

2.2 傳動設計

滑臺要求傳動系統承載力大、精度高、距離較長，設計選擇齒輪-齒條傳動，現場環境粉塵極多，若齒輪和齒條垂直放置容易積累粉塵，影響傳動，齒輪和齒條設計為水平安裝，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矩與速度。四極變頻電動機的額定轉速為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電動機輸出轉矩為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，電動機需要水平放置于滑臺基座上，但因為齒輪關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 電子齒輪設定

即是設定電動機編碼器反饋脈沖與指令脈沖的比值[6]，其計算公式如下：

(1)

式中：Δl為脈沖當量，相對于PLC每一脈沖信號滑臺的位移量,mm/脈沖；Δs為電動機每轉一圈滑臺的位移量,mm/r；Pf為PLG 4倍頻后編碼器脈沖數，脈沖/r；Pr.420/Pr.421為電子齒輪比。

已知減速機減速比為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；滑臺運動速度與脈沖當量的關系為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，考慮到計算方便，設為0.01 mm/脈沖。

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

3 控制系統設計

PROFIBUS-DP是主從通訊，通訊時主站周期性發出請求來讀寫從站的數據[7]，從站只需根據請求進行響應即可。S7-200作為DP從站將相應的數據處理后放入通訊緩沖區。KR-360 I/O與S7-200地址對應如表1所示。

3.1 通訊組態

定位模塊EM253在運行前需要經過原點校準，為保證滑臺重復定位精度，安裝接近開關作原點，模鍛位和切邊位與原點的距離是經過測量和調試的定值，確保機器人能到達指定位置。PLC開機后首先回原點校準，然后根據設定的距離發出相應的脈沖，變頻器根據脈沖驅動電動機，編碼器實現位置反饋，移動到位后電動機停轉同時制動器抱緊。

表1 機器人與PLC地址對應表

機器人輸出PLC地址注釋機器人輸入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準備就緒p1injoutV2004鍛壓頂桿頂出ButtonwasteV2645按鈕：機器人甩料p1injbackV2005鍛壓頂桿收回ButtonstepV2644按鈕：機器人單步stopp2V2006禁止切邊打擊ButtonpauseV2646按鈕：機器人暫停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準備就緒p1injoutV2004鍛壓頂桿頂出ButtonwasteV2645按鈕：機器人甩料p1injbackV2005鍛壓頂桿收回ButtonstepV2644按鈕：機器人單步

為保證安全，在模鍛位和切邊位各設計一個接近開關；為防止滑臺脫軌，在兩端極限位置各設計一個接近開關。由于鍛壓機和切邊機的歐姆龍PLC與S7-200距離較遠且現場振動大，為保證數據傳輸的可靠性，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導軌正向運動按鈕SB1Q00鉗夾緊中繼KA0I01導軌反向運動按鈕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SQ2I25在切邊位接近開關SQ4I26零點接近開關SQ3I27備用

3.2 程序設計

S7-200程序設計實現通訊、設備控制和運動控制3方面功能，其中運動控制是關鍵程序，其主程序如圖3所示。

啟動前對模鍛位、切邊位和運行速度進行預設，經測量和調試，預設初始速度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，在急停按鈕位按下時M31.1為ON，標志正常狀態。在未急停情況下，自動裝載已經在向導中配置好的運動控制參數，使能并初始化EM253。初始化程序如圖4所示。

(2)回原點程序段：在自動運動之前，先要回原點校準，在還未校準(M30.1為ON)并且移動安全的情況下允許回原點；當滑臺沒有移動，在手動模式下按下回原點按鈕，則滑臺按照向導預設的運動回原點，原點若找到則M12.2置位，若出錯則MB11不為0。回原點程序如圖5所示。

(3)運動到模鍛位：在已回原點校準并且運動安全的情況下，允許自動運行；手動模式下按下移動到模鍛位按鈕，或者自動模式下機器人發出到模鍛位信號

時，滑臺移動到模鍛位，其移動的距離和速度由VD120和VD0預設。模鍛位程序如圖6所示。

(4)運動到切邊位：在已回原點校準并且運動安全的情況下，允許自動運行；手動模式下按下移動到切邊位按鈕，或者自動模式下機器人發出到切邊位信號時，滑臺移動到切邊位，其移動的距離和速度由VD124和VD0預設。切邊位程序如圖7所示。

4 結語

該設計利用滑臺實現了鍛件搬運中的精確定位，有效解決了機器人抓取力臂不夠的問題，提升了鍛造生產線的自動化水平，減輕了作業人員的勞動強度，提高了生產效率和產品質量，同時對其他企業的生產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. 鉚接機鈑金件鉚接的自動送板裝置的設計[J]. 制造技術與機床，2016(4):90-94.

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

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

[5]姚瑤,苗維新.龍門鏜銑床角度銑頭的設計[J]. 制造技術與機床,2014(7):84-86.

[6]劉江.配置不同類型位置檢測裝置FANUC-0iC數控系統的調試[J]. 制造技術與機床，2008(3):150-152.

[7] 岳秋琴,熊清平.基于PROFIBUS-DP的計算機數控系統[J]. 制造技術與機床，2003(8):102-104.