真空熱處理生產線自動料車控制系統的設計

凡占穩，楊廣文，王 赫

（北京機電研究所有限公司，北京100083）

當前，在真空熱處理過程中，物料在熱處理各工序之間的流轉仍需要由人工送料取料，占用較多人力資源，生產過程效率不高，安全性低，生產工藝相對粗糙。隨著科技的發展和進步，工業自動化的水平在不斷的提高，越來越多的行業實現了生產過程的自動化[1-4]，但是在制造業領域中一些較為傳統的工藝自動化水平還比較低。在熱處理各工序中引入自動送料系統，可有助于減少勞動強度，提高生產的安全性可靠性，提高產品質量的穩定性[5-6]。

1 系統功能

針對傳統真空熱處理的問題，為錐齒輪等軸齒類汽車零部件的真空高溫低壓滲碳處理工藝的送料取料，而設計了一種真空熱處理生產線的自動料車控制系統。真空高溫低壓滲碳熱處理工藝分為脫脂預熱、真空滲碳、真空油淬或者真空高壓氣淬、清洗、回火等熱處理步驟。

自動料車能完成在裝卸料臺、預熱爐、真空滲碳油淬爐、真空滲碳氣淬爐、清洗機、回火爐之間物料的自動轉運；通過與熱處理設備之間建立通信，自動判斷設備的工作狀態，根據設備的工作狀態自動排產，提高設備的利用率。其具體功能如下：

自動料車能夠按照生產工序流程，通過伺服定位系統進行左右行走，精確定位；料車配有旋轉機構，通過電機使旋轉托盤進行旋轉，實現對料車兩側的設備進行送料取料；料車架伸縮機構位于旋轉托盤之上，通過料車架的伸縮實現料車與爐門的對接，推拉料機構位于料車架之上，并附帶有可翻轉的料鉤，推拉料機構與料鉤相互配合可以實現物料的送入與取出。自動料車與熱處理設備的位置示意圖如圖1 所示。

圖1 自動料車與熱處理設備位置Fig.1 Location of automatic skip car and heat treatment equipment

2 自動料車控制系統的設計

2.1 控制系統的硬件組成

自動料車選用晶閘管型PLC 主機以及繼電器型拓展作為控制單元，選用光電傳感器與接近開關作為料車檢測單元，選用伺服電機、變頻器、編碼器以及交流電機作為料車動作執行單元[6-9]。

其中，光電傳感器和接近開關能檢測到料車執行動作的位置信息，并傳送給PLC 控制單元；PLC主機配合伺服驅動器及伺服電機實現自動料車的左右行進；料車架伸縮與料車架托盤的旋轉通過PLC 對變頻器和交流電機的控制來實現；拓展控制單元配合變頻器、 編碼器以及交流電機實現料車的送取料動作；料鉤翻轉電機為直流電機，由PLC直接控制。觸摸屏與PLC 保持通信，人工可以通過觸摸屏進行手動操作，便于調試和維護。料車PLC與各真空設備的PLC 之間通過PC-link 網絡進行通信，使料車便于查詢到各設備的運行狀態，并根據相關工藝發送不同的控制指令。系統結構如圖2所示。

圖2 自動料車控制系統結構框圖Fig.2 Block diagram of automatic skip car control system

2.2 控制系統的軟件結構

在該系統中，各設備的PLC 之間通過PC-link網絡連接。在料車進行伺服定位之后，料車系統向所定位的熱處理設備發送料車到位信息，熱處理設備接收信息后開啟爐門并接收物料，開始熱處理程序。該熱處理程序結束后，熱處理設備向料車系統發送信息，通知料車接收物料，并送至下一設備進行下一步工藝。

在PLC 程序中，料車的物料轉運程序作為主程序，其中包括行車伺服定位程序模塊、進退料車架程序模塊、料車架旋轉程序模塊、推拉料程序模塊、翻鉤翻轉程序模塊及變頻器調速程序模塊等。主程序能對各程序模塊實現調用，各接近開關和光電開關作為接收信號連接到PLC，PLC 根據信號驅動相應的執行機構進行動作。變頻器模塊程序實現對電機的變頻調速，提高控制的精度和穩定性。系統軟件流程如圖3 所示。

3 控制系統關鍵點設計

3.1 PLC 與伺服電機實現精確定位

由于料車的送取料動作需要推拉料機構深入到設備爐體的內部，定位過程中微小的誤差都會導致嚴重的后果，因此在生產中精確定位是實現自動化生產的前提。故在此，料車行走采用由伺服電機構成的伺服定位系統，能夠精確地定位到各設備的爐門位置，提高送料過程的安全性和穩定性。

圖3 系統軟件流程Fig.3 System software flow chart

在該系統中，PLC 的晶體管輸出端子以脈沖加方向的模式輸出可控脈沖，料車在上電運行時首先進行原點搜索，上料臺作為起始位置被定為機械原點，在每次上電之初，系統都會進行原點搜索，將料車定位到上料臺即初始位置。在小車的導軌兩端分別配置有CW 界限檢測傳感器和CCW 界限檢測傳感器，二者分別對于應導軌的左極限與右極限，在上料臺位置和上料臺右側分別配置原點輸入傳感器和原點附近輸入傳感器。PLC 通過原點搜索ORG 指令，根據原點附近輸入信號和原點輸入信號向原點進行定位，將料車從當前位置定位到上料臺。

PLC 控制器可以實現多種不同方式脈沖的輸出。該系統所要求實現的功能是使料車從一個固定位置到另一個固定位置精確行程量的移動。PLC主機通過PLS2 指令，可以進行加減速比率不同的臺型加減速脈沖輸出控制，如圖4 所示。根據料車每次需要行駛的行程量，可以通過對PLS2 指令脈沖輸出量、目標頻率、加速比率、減速比率進行設置，實現料車平穩啟動、恒速運行和減速精確定位的功能。

圖4 PLS2 指令臺型加減速脈沖輸出的控制Fig.4 Control of PLS2 command desk acceleration/deceleration pulse output

在實際工業運行環境中，由于機械結構磨損等原因，長時間使用可能會降低伺服電機的控制精度，導致料車的定位精度下降。為保證系統的安全性與穩定性，在各設備的定位點加裝接近開關傳感器，進行輔助機械定位。當伺服電機系統出現“失步”時，控制系統沒有接收到接近開關的信號，此時系統會繼續驅動伺服電機行進，直到接近開關得電；當伺服電機系統出現“過沖”時，接近開關檢測到信號就會立即使系統控制伺服電機制動。

3.2 PLC 與編碼器實現固定行程

系統中，物料由料車上的推拉料機構送到熱處理設備內部的料臺上。傳統推拉料機構行程位置的定位是由置放在推拉料機構之上的接近開關確定的。

由于該系統需要對裝卸料臺、預熱爐、真空滲碳油淬爐、真空滲碳氣淬爐、清洗機、回火爐等不同的設備進行送取料，各設備內部的料臺所處位置不同，對應的推拉料機構送取料的行程也相應不同，而安裝接近開關進行定位會占用較多的空間和設備資源，因此提出編碼器與推拉料機構結合實現對推拉料機構送取料行程的定位。

編碼器體積小，精密度高且穩定抗干擾，在工業設備設計制造中廣泛應用，選用PLC 與編碼器結合控制推拉料機構的定位完全滿足項目設計功能要求。編碼器與PLC 接線如圖5 所示。

圖5 編碼器與PLC 電氣接線圖Fig.5 Electrical wiring diagram of encoder and PLC

在自動料車控制系統中，編碼器與推拉料機構的交流電機相連接。當推拉料機構動作執行時，編碼器根據交流電機的轉動獲得脈沖信號并傳給PLC控制系統。CP1H CPU 內置的高速計數器單元根據編碼器脈沖記錄當前值，并通過CTBL 指令登錄比較表。CTBL 比較表中有預先設定的高速計數器端口號、脈沖目標值和中斷號，當高速計數器的當前值與比較表記錄的脈沖目標值一致時，執行中斷程序。中斷程序為推拉料機構的制動程序，中斷程序被執行后電機制動，定位完成。通過設定CTBL 的比較表中的脈沖數目標值即可實現對推拉料機構不同行程量的定位。推拉料機構定位程序如圖6 所示。

圖6 推拉料機構定位程序Fig.6 Positioning procedure of push-pull mechanism

3.3 自動料車與熱處理設備之間的相互通信

自動料車和熱處理設備之間要實現實時通信。自動料車在轉運物料過程中需要即時知道各設備的狀態，并根據各設備的狀態執行下一步的動作并對設備發出控制指令。PC-link 網絡是較常見的PLC網絡，傳輸速度快，抗干擾能力強，安全穩定并且易于實現。該系統選用PC-link 網絡實現各設備上PLC 之間的通信。

在歐姆龍編程軟件中，對串行選項端口的通信參數設置、模式選擇、連接字字數設定、鏈接模式等部分進行修改，并在硬件上對主站和從站進行連接即可實現PC-link 通信。具體操作如圖7 所示。

圖7 PC-link 的主站和從站軟件設置Fig.7 Software settings of master station and slave station of PC-link

4 調試過程中出現的問題

在此針對自動料車安裝調試過程中出現的幾個問題進行簡單分析，并給出解決辦法。

在料車系統中，接近開關由安裝在旋轉機構上的金屬塊觸發。實際調試過程中，出現料車旋轉提前停止、料車到位后未停止等錯誤。經過檢查后發現，接近開關敏感度過高，在旋轉過程中誤檢旋轉機構其它部位而被觸發停止。同時，由于旋轉速度過快，接近開關得電后電機未能及時制動而導致了過沖。經過調試，通過提高接近開關的檢測距離，降低旋轉速度或者變頻降速停止等，可以解決上述問題。

PLC 控制系統發出的脈沖頻率的高低，決定了料車伺服電機運行速度的快慢。對于CPIH 系類PLC 控制器，其能發出脈沖的最高頻率為100 kHz，而系統所選用的伺服驅動器能接收脈沖的最高頻率為500 kHz，因此導致料車的伺服控制速度緩慢。經過調試發現，調整電子齒數比，可以提高料車的速度，但相應地會降低控制的精度。另一種方法是選用輸出脈沖頻率更高的控制器。

為了避免系統在運行過程中人為地翻動翻鉤，在料車上加裝了翻鉤保護裝置，通過接近開關檢測，可以確保翻鉤在運行過程中處于正確的位置。

5 結語

文中設計了錐齒輪等軸齒類汽車零部件的真空高溫低壓滲碳處理工藝送取料過程的自動送料車控制系統。該控制系統經過試驗仿真、現場安裝調試，在實際運行的過程中，該系統穩定可靠高效，能夠滿足工業生產需要和客戶生產需求，對于減少勞動力提高生產效率和質量發揮了重要的作用。