基于PLC 的模具拆卸裝置設(shè)計

王鈺超，藍(lán)曉樂，余斌輝，鐘金錄，湯 烽，江麗珍，楊建榮

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

0 引言

模具是工業(yè)生產(chǎn)中的基礎(chǔ)工藝裝備[1]。模具拆卸時，首先需要從導(dǎo)柱和導(dǎo)套間分開上、下模兩大部分。通常是用吊機(jī)提起上模，或?qū)⒛＞吲P放在工作臺上，再用橡膠錘敲擊模具突出部位，以使緊閉的上模與下模分離開來。但由于生銹等原因，導(dǎo)柱和導(dǎo)套之間會出現(xiàn)很難分開的情況，拆卸強(qiáng)度大，時常需要使用銅棒進(jìn)行敲擊模具，使得模具出現(xiàn)局部變形和損傷[2]。為了提高拆卸效率和降低工作強(qiáng)度、減少模具損傷和變形，本文研究設(shè)計了一種便于快速將模具上、下模分離的拆卸裝置。裝置中包括自動傳送部件和自動拆卸部件，可以完成將拆卸支架準(zhǔn)確送達(dá)模具位置、自動分開模具并傳送分離模具的工作。

1 拆卸裝置設(shè)計

為充分節(jié)約模具拆卸時間，減少人力，決定在現(xiàn)有拆卸模具技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)置PLC 自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動控制，以進(jìn)一步提高設(shè)備的性價比，使設(shè)備具有良好的維護(hù)性。本文將對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

為了快速分開模具上、下模兩大部分，設(shè)計的拆卸裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為使模具的傳送動作和拆卸動作自動且穩(wěn)定，利用PLC 控制技術(shù)對拆卸裝置進(jìn)行控制。在拆卸過程中，利用PLC控制技術(shù)的可靠、穩(wěn)定，在實(shí)際拆卸模具的工作中通過PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)拆卸裝置的移動，使拆卸裝置具有編程簡單、穩(wěn)定性好、精確性高的優(yōu)點(diǎn)[3]。通過對小型模具拆卸裝置的PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計，使得裝置的傳送帶能以設(shè)定的速度把模具移動到合適的位置，然后手動固定模具下端，利用裝置把模具上、下模兩部分分離，從而實(shí)現(xiàn)分離上、下模的功能。

圖1 電動模具拆卸裝置裝配圖

1.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

拆卸裝置的主體分為裝置支架和減速傳動機(jī)構(gòu)，輔助部分設(shè)計有支架自動傳送機(jī)構(gòu)。

1）裝置支架部分。由頂板2、導(dǎo)柱3、導(dǎo)套31、支撐板24、下拉鉤14構(gòu)成。下拉鉤固定在整個裝置的底板8上，導(dǎo)柱采用螺紋的方式固定在下拉鉤上，導(dǎo)柱設(shè)計有軸肩撐起支撐板，支撐板上有四個導(dǎo)套加強(qiáng)支撐頂板，頂板與四根導(dǎo)柱采用螺絲緊固。

2）減速傳動部分。由Z 軸電機(jī)1、小齒輪11、大齒輪25、拉拔螺桿29、端面軸承26和28、T形螺紋套27、動板22和上拉鉤13 組成，如圖2 所示。梯形螺紋套用螺釘與大齒輪固定，梯形螺紋套上下各裝一個端面軸承，作用是防止梯形螺紋套軸向運(yùn)動，讓其只能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。拉拔螺桿和兩側(cè)上拉鉤分別用螺釘鎖緊在動板上。工作時，Z軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過小齒輪帶動大齒輪，減速傳遞至梯形螺紋套，由梯形螺紋套的螺旋帶動拉拔螺桿、動板和上拉鉤進(jìn)行上下運(yùn)動。當(dāng)Z軸電機(jī)正轉(zhuǎn)時，帶動動板和上拉鉤向上運(yùn)動，可將模具上模拔出；當(dāng)Z軸電機(jī)反轉(zhuǎn)時，帶動動板和上拉鉤向下運(yùn)動，可將模具上模放置在擱置臺9。

圖2 減速傳動機(jī)構(gòu)

3）支架傳送部分。主要由底板8、直線導(dǎo)軌7、X 軸電機(jī)30、滾珠絲桿10、推拉架15等組成。X軸電機(jī)開啟后，旋轉(zhuǎn)的滾珠絲桿帶動推拉架，推引著支架主體進(jìn)行左右移動。當(dāng)X 軸電機(jī)正轉(zhuǎn)時，支架往右側(cè)（模具位置方向）前進(jìn)；反轉(zhuǎn)時，支架往左側(cè)回程。

1.2 裝置工作原理

通過PLC控制X軸電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動龍門架左右移動，使模具到達(dá)方便拆卸的位置，再通過控制Z軸電機(jī)使掛鉤上下移動，從而分離上下模，最后實(shí)現(xiàn)模具的拆卸，且安裝了五個傳感器，方便感應(yīng)每次傳送到達(dá)的位置，讓每次傳送精確感應(yīng)到位后，再執(zhí)行下一步動作，以達(dá)到準(zhǔn)確拆卸的效果。而X軸和Z軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間和轉(zhuǎn)動方向，需要靠PLC程序控制。

1）先將需要拆卸的模具置于下輔助板5 上固定，再固定上輔助板4。裝置龍門架停留于初始位置即傳感器A的位置，上拉鉤13在傳感器E處。

2）按下啟動按鈕19，X 軸電機(jī)30 得電正轉(zhuǎn)，把龍門架向傳感器C方向處傳送，上輔助板4進(jìn)入上拉鉤13，下輔助板5 進(jìn)入下拉鉤14，當(dāng)傳感器C 感應(yīng)到龍門架到位后，X 軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

3）接著Z軸電機(jī)1得電正轉(zhuǎn)，帶動上拉鉤13上提，帶著上、下模分離開來。當(dāng)上拉鉤到達(dá)傳感器D 處時，Z 軸電機(jī)1失電停止。

4）同時X 軸電機(jī)得電反轉(zhuǎn)，將整個龍門架主體往回傳送，到達(dá)傳感器B處后X軸電機(jī)停止傳送。

5）此時Z軸電機(jī)1得電反轉(zhuǎn)，將上模從傳感器D處往下傳送，到達(dá)傳感器E 位置時，Z 軸電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，將已拆的上模放在擱置臺9上。

6）這時X 軸電機(jī)30 得電反轉(zhuǎn)，將空的龍門架主體橫向送回傳感器A處，停止工作并恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一次操作做準(zhǔn)備。

2 PLC控制系統(tǒng)的選擇

PLC 控制器采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路設(shè)計，具備嚴(yán)格的生產(chǎn)制造環(huán)境，有可靠性高、干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；采用系統(tǒng)設(shè)計，利用其開發(fā)產(chǎn)品的工作量比較少，維護(hù)和升級也非常方便[4]。小型模具的拆卸裝置的控制系統(tǒng)，由于模塊式PLC的配置靈活，功能擴(kuò)展方便，提供多種I/O 接口，所以應(yīng)選擇模塊式的PLC，硬件選型時還需要對I/O 口數(shù)，與外部設(shè)備的兼容性、PLC的容量進(jìn)行確定。在滿足工藝需求的前提下，盡量選用可靠成熟、經(jīng)濟(jì)性高的控制器及控制模塊；通常 I/O 模塊數(shù)量配置時依據(jù)工作任務(wù)需求并冗余10%～20%的 I/O 點(diǎn)位量，以便于后期系統(tǒng)維護(hù)、維修以及系統(tǒng)功能擴(kuò)展[5]。本設(shè)計選用三菱FX3U系列PLC。

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC 控制系統(tǒng)軟件是拆卸裝置的控制核心，主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)桿傳感器的辨認(rèn)與控制、操作等。PLC 控制系統(tǒng)軟件包括初始化、變頻電機(jī)驅(qū)動控制、龍門架移動、掛鉤移動和識別定位等部分[6]。

PLC 控制的拆卸機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計包含硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計主要有PLC的配置、選型、接線電纜以及輸入、輸出端口的分配情況；軟件系統(tǒng)設(shè)計就是根據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工藝要求，使用相應(yīng)的編程語言，編制用戶控制程序和形成相應(yīng)文件的過程[7]。本產(chǎn)品需要用到可實(shí)現(xiàn)控制模具分離的機(jī)構(gòu)，為使得該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)半自動化控制，需要用到編制 PLC 控制程序的方法，使用PLC 可以模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法。其圖形甚至元件名稱都與繼電器控制電路十分相近。這種方法很容易地就可以把原繼電器控制電路移植成PLC梯形圖語言[8]。

2.2 PLC控制系統(tǒng)流程圖

本拆卸裝置的PLC 控制流程圖主要由X 軸電機(jī)和Z 軸電機(jī)共同作用來實(shí)現(xiàn)拆卸模具的功能，具體流程圖如圖3所示。

圖3 PLC 流程圖

2.3 模具拆卸裝置PLC程序梯形圖

常開急停開關(guān)X001 控制急停中間繼電器M1，上掛鉤置于傳感器E 位置處，使得傳感器A 與E 都為ON 狀態(tài)，當(dāng)需要整個設(shè)備進(jìn)行工作時，旋轉(zhuǎn)松開急停開關(guān)X001 使線圈M1 得電，同時按下X002 按鈕，裝料電機(jī)Y001 正轉(zhuǎn)，使龍門架由傳感器A 移動至C 處，經(jīng)過中間位置傳感器B，會使X012 開關(guān)接通，M3 線圈得電，Z 軸電機(jī)啟動使得上鉤板下降，期間X 軸電機(jī)繼續(xù)工作，將龍門架送至傳感器C 處，掛鉤碰到傳感器E 后Z 軸電機(jī)停止工作，待傳感器C 感應(yīng)到龍門架后，使X 軸電機(jī)停止工作，此時Z 軸電機(jī)Y002 得電正轉(zhuǎn)使上掛鉤上拉，將上下模具分離開來，待上掛鉤移動至傳感器D 處時，使X 軸電機(jī)Y003 反轉(zhuǎn)，將龍門架向后傳送，龍門架移動到傳感器B 處后，X012 接通，Y003 停止轉(zhuǎn)動，M3 線圈得電，使得Z 軸電機(jī)反轉(zhuǎn)，上掛鉤下移將上模放置于板9 上，傳感器E 感應(yīng)到后X015 接通，X 軸電機(jī)啟動Y003 將龍門架傳送回，最后到達(dá)傳感器A 處，Y003停止轉(zhuǎn)動，設(shè)備回到初始狀態(tài)。PLC 程序控制梯形圖如圖4 所示。

圖4 PLC 程序控制梯形圖

3 結(jié)論

解決現(xiàn)有模具拆卸過程中，經(jīng)常對模具敲擊造成模具損傷、精度降低、影響產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)問題。以三菱FX3U系列PLC 為例對PLC 在小型模具拆卸裝置中的應(yīng)用進(jìn)行研究，主要設(shè)計完成了硬件的選擇，PLC的電路連接，I/O口的分配和相應(yīng)設(shè)備的選擇，對拆卸裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可廣泛應(yīng)用于模具拆卸過程，且采用電動控制，可以一次性輕松完成繁重的人工拆卸過程，整個流程實(shí)現(xiàn)自動化，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益，并為以后拆卸模具技術(shù)的進(jìn)一步提高打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。