基于PLC的軸類零件自動生產線的控制系統設計

車 娟 江明棠

（1.蘇州健雄職業技術學院，江蘇蘇州215411；2.鐵王數控機床（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215400）

0 引言

本文針對某企業的編織機主要軸類零件的生產項目，開發設計了一套工業機器人1對2臺NC車床自動上下料生產線，克服了現有加工裝置自動化程度不高的缺陷。該生產線主要由兩部高精度數控車床、工業機器人、棒材臺階式供料裝置、齒輪齒條翻轉裝置、雙層收料裝置等組成。項目要求兩臺車床同時完成同一件軸類零件加工中半精車正面和半精車反面的兩道加工工序，均采用工業機器人進行自動上下料，完成取料—入OP1取成品—清潔夾具—換夾放毛坯—OP1加工—翻轉—入OP2取成品—清潔夾具—換夾放半成品—OP2加工—下料的自動循環，整個加工過程無需人為上下料，工人勞動強度低，產品生產率提高。

1 棒材車削自動生產線控制系統的設計要求

（1）數控車床車削銷軸和銷套，因為毛坯直徑、長短大小不同，采用一套棒材臺階式供料裝置，工業機器人的末端機械臂配用兩副平行夾爪，一副帶有輔助導向支架，用于夾取未加工件，一副用于夾取已加工件，進行24 h連續生產。

（2）當OP1機床放入一個坯料啟動加工后，機械臂至供料站取料，事先由操作員依序固定方向將坯料擺放到料槽內，讓舉升氣缸推升一個坯料，其余多出材料等待下一個循環送出。機械臂從固定位置自動取料，送到OP1機床自動門前，等待第一工序加工完成信號送出。

（3）當OP1機床完成第一工序，程序開啟安全自動門，允許機械臂進入機床內，用成品夾取出成品并吹凈夾具，然后交換夾爪將坯料送入車床卡盤，同時借助夾爪上的輔助導向支架，快速引導工件緊密貼服機床卡盤擋位板進入正確位置。完成交換工件后，機械臂退出機床，關自動門，再啟動機床加工程序，開始第一道工序加工。

（4）機械臂將在OP1機床加工完成的半成品放置到待加工翻轉站，翻面后用帶輔助導向支架的夾爪夾取已翻面的半成品至OP2機床自動門前，等待OP2車床加工完成信號送出。

（5）當OP2機床完成第二道工序，程序開啟安全自動門，允許機械臂進入機床內，用成品夾取出成品并吹凈夾具，然后交換夾爪將坯料送入車床卡盤，同時借助夾爪上的輔助導向支架，快速引導工件緊密貼服機床卡盤擋位板進入正確位置。完成交換工件后，機械臂退出機床，關自動門，再啟動機床加工程序，開始第二道工序加工。

（6）機械臂帶著經兩序車削完成的成品，放入收料裝置的成品盒，然后回到供料裝置取出另一個坯料，機械臂完成一個獨立循環，并同時開始第二次加工循環。

2 自動上下料生產線的主要結構

2.1 工業機器人

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，主要由機械手、機器人控制器、手持式編程器、連接線纜、軟件及其他附件組成。人類借助手持式編程器預先編制運行程序，機器人控制器按照輸入的程序對機械手發出指令信號，使機械手產生動作。工業機器人在該產品加工自動線上主要負責產品的上下料和搬運，設計同時裝配取料和放料兩個夾爪。

2.2 NC車床配備

為實現兩臺NC車床加工自動上下料，配備NC車床需要注意以下事項：

（1）該生產線加工的產品主要為銷軸和軸套，所以車削外圓和內孔時需要配備主軸中心出水和吹氣的功能，以達到排屑優良暢通的目的。

（2）OP1車床的卡盤應加工坯料，卡盤考慮配置一套硬爪夾具；而OP2車床需要配備防夾傷軟爪。

（3）為搭配自動化需要，NC車床需要增加機械手界面和自動開關門。

2.3 棒材臺階式供料裝置

棒材臺階式供料裝置主要包括料倉、定位氣缸、升降料氣缸、臺階支撐架、V型架、調整墊片、支架、擋料板、調整板等，如圖1所示。

圖1 棒材臺階式供料機構模型圖

工人將某一批次的棒料放入料倉內，坯料沿斜面滾至臺階支撐架的1位臺階，PLC輸出送料信號，升降料氣缸帶動臺階支撐架頂起，坯料隨之頂升至1位調整片，然后沿1位臺階的斜面滾至1位調整片上；同時在臺階支撐架的2位臺階的毛坯隨支撐架上頂至2位調整片；此外，在臺階支撐架的3位臺階的毛坯隨支撐架上頂，然后沿3位臺階的斜面滾動，經過擋板，滾至V型架，然后V型架處的接近開關檢查到有工件，定位氣缸運動對坯料進行定位。

2.4 齒輪齒條翻轉裝置

齒輪齒條翻轉裝置主要由翻轉支撐板、齒輪、齒條、Y型接頭、齒條保持架、固定底板、翻轉底板、夾緊氣缸和夾具機構等組成。當檢測傳感器判斷工件支架上有待翻轉工件時，夾緊氣缸上夾具夾住工件，由齒輪齒條帶動翻轉90°，氣爪松開，工件由此被翻轉。

2.5 雙層收料裝置

雙層輸送收料裝置，以滾筒為承載，結構較為簡單，維修方便，成本價格較低，需要使用托盤輔助，承載產品的類型廣泛，可以實現產品的連續或節拍運輸。上層為供料，下層為收料，主要由滾筒、側板、拉鏈條、升降機構、減速電機、傳感器等零部件組成。托盤借助上層滾筒傳送至升降機，然后機械手將取出的成品工件后放入托盤，當PLC判斷托盤裝滿工件后，通過升降機下送到下層滾筒。

3 棒材車削自動生產線的控制系統設計

棒材車削自動生產線動作分析：從供料裝置取料，到OP1機床等加工完成—完成加工開安全門—入OP1取成品—清潔夾具—換夾放毛坯料—機械手出OP1機床—關安全門—OP1機床啟動加工—機械手放工件到齒輪齒條翻轉裝置—到OP2機床等待加工完成—OP2機床完成加工開安全門—入OP2機床取成品—清潔夾具—換夾放半成品工件—機械手出OP2機床—關安全門—OP2機床啟動加工—機械手放成品至收料裝置的收料盒—完成單序16件一循環。

PLC控制流程圖如圖2所示。

圖2 PLC控制流程圖

4 結語

為了對操作人員完善保護，本套生產線還要求在機床四周超出300 mm寬設置安全圍籬、安全防護柵門和開門按鈕開關，操作人員能隨時監看機床操作屏幕，但不能進入機器人運作區域內。當操作人員想進入機器人工作區域，需按壓開門按鈕，等待機器人響應離開該區域時，防護柵門才能自動打開，以避免發生碰撞等危險事故。本文結合PLC（可編程控制器），根據某企業產品生產需求設計了棒材車削自動生產線的控制系統，PLC和工業機器人的應用不僅推動了工業自動化的發展，而且加速了機電一體化的實現。