金 宇，張海鷗，王桂蘭

（華中科技大學，武漢 430074）

0 引言

壓鑄，是指將熔融合金在高壓、高速條件下填充鋼制模具型腔，并使得合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。壓鑄機輔助生產(chǎn)設(shè)備，指的是和壓鑄機配套的能完成自動舀湯、取件、噴霧的輔助機械設(shè)備[1]。實現(xiàn)壓鑄機輔助生產(chǎn)設(shè)備自動化和智能化對于穩(wěn)定鑄件質(zhì)量和降低勞動強度具有重要意義[2]。

國內(nèi)壓鑄生產(chǎn)，舀湯、取件、噴霧過程基本有以下三種方式：1）依靠工人手工；2）半自動化，僅舀湯、取件可實現(xiàn)由機械操作，3）三個部分均為機械操作，但是三機分離進行[3]。設(shè)備集成度相對較低，需要較大的安裝空間，維修拆裝困難，沒有對模具內(nèi)溫度進行監(jiān)控。國外目前多將工業(yè)機器人引入到壓鑄生產(chǎn)周邊，利用工業(yè)機器人進行自動取件和噴霧[4]，靈活小巧，效率高，但是我國企業(yè)沒有掌握其知識產(chǎn)權(quán)，造價成本太高[5]。

因此，本文提出開發(fā)一臺集成取件與噴霧功能的一機雙臂設(shè)備的控制系統(tǒng)，并與舀湯機進行聯(lián)動，由于壓鑄生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，干擾因素較多，且工藝流程較為固定，最終決定以抗干擾能力強的PLC作為控制核心，基于WINVIEW觸摸屏開發(fā)人機界面，實現(xiàn)自動化運行。

1 一機雙臂設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 一機雙臂設(shè)備結(jié)構(gòu)

一機雙臂設(shè)備，如圖1所示。主要由五部分構(gòu)成：

圖1 一機雙臂機械手模型圖

1）直角坐標系統(tǒng)，由3-豎滑臺，4-噴霧伸縮，模組，6-底座，7-橫滑臺，8-取件伸縮模組組成。實現(xiàn)取件、噴霧伺服定位和路徑規(guī)劃功能。

2）取件臂轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主要由5-取件臂轉(zhuǎn)臺與8-取件臂組成。實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)放件功能。

3）取件噴霧轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由2-噴霧手、9-取件手以及兩者相應的傳動轉(zhuǎn)動系統(tǒng)組成。實現(xiàn)變角度噴霧功能。

4）取件手系統(tǒng)主要由9-取件手內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的氣路組成。實現(xiàn)零件的抓取以及變角度取放零件。

5）噴霧系統(tǒng)主要由2-噴霧手內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)、測溫裝置、電磁控制裝置以及氣路水路組成。實現(xiàn)溫度監(jiān)控、傳感器保護罩伸縮，噴霧噴氣控制等功能。

1.2 一機雙臂設(shè)備工藝流程

壓鑄機合模以后，進行壓鑄合金的澆注、壓射、冷卻，與此同時，取件機械手將上一次取出的壓鑄件放置在指定的碼垛位置，然后返回到下一次的取件位置進行等待，壓鑄機開模后，若到達指定的測溫次數(shù)，對模腔內(nèi)的指定點進行測溫，若沒有，則取件手進入到模腔內(nèi)對壓鑄零件進行抓取，取件完成后退出模腔，噴霧臂進入到模腔內(nèi)按照指定的噴霧模式進行噴霧噴氣，同時取件臂旋轉(zhuǎn)進行伸縮放件，待噴霧完成后，壓鑄機合模，至此完成一個周期的動作。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

一機雙臂機械手控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。該系統(tǒng)以歐姆龍CP1H型PLC為控制核心，通過PLC的輸出口控制相應驅(qū)動單元，輸入口接收相應的位置信號。按照工藝流程編寫PLC程序，即可實現(xiàn)設(shè)備的自動化運行，觸摸屏通過RS232與PLC通訊。

圖2 一機雙臂機械手控制系統(tǒng)硬件組成框圖

系統(tǒng)以四臺交流伺服電機為基礎(chǔ)搭建一個的半開放式的數(shù)控系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上以示教的方式儲存坐標點信息；通過相應的變頻器、交流接觸器控制五臺三相交流電機的運動；通過PLC的數(shù)字量輸出口控制氣動電磁閥的通斷；通過PLC的A/D模塊[6]采集溫度信號；通過輸入口接收限位開關(guān)的輸入信號等。

2.2 輸入輸出端口規(guī)劃

對PLC的輸入輸出端口做出了統(tǒng)計，整個系統(tǒng)一共有點48個輸入點信號，55個點輸出信號，控制4臺伺服電機需要4路高速脈沖輸出口，需要A/D與溫度傳感器進行通訊，需要RS232接口與觸摸屏通訊，因此最終選擇歐姆CP1H-XA-40DT小型PLC，但是該類型PLC只擁有40個I/O點，需增加I/O擴展單元CP1W-40EDT與CP1W-32ET，增加型號為CP1W-CIF01的RS-232C選件板與觸摸屏通訊。

2.3 直角坐標伺服系統(tǒng)

一機雙臂的直角坐標系統(tǒng)由四臺伺服電機加滾珠絲杠組成。PLC通過位置控制模式“脈沖+方向”方式[6]控制直角坐標系統(tǒng)4臺伺服電機，以脈沖量定位，脈沖頻率確定電機速度。建立一套簡易數(shù)字定位系統(tǒng)，定位取件放件位置，規(guī)劃取件與噴霧的路徑。

系統(tǒng)采用絕對坐標系進行定位，4個滑臺均設(shè)置原點，為準確回零，在零點附近設(shè)置一個零點接近點。PLC給伺服電機發(fā)出回零信號時，滑臺向零點靠近，到達零點接近點位置時，傳感器給PLC發(fā)出零點接近信號，整個滑臺減速低速運動，到達零點時停止。為安全考慮，在滑臺的左右兩側(cè)設(shè)置限位開關(guān)，當滑臺到達極限位置時，PLC給發(fā)出急停信號，滑臺停止運動。

2.4 交流電機系統(tǒng)控制方法

PLC通過開關(guān)量輸出進行多速度段[8]變頻調(diào)速，通過變頻器對取件旋轉(zhuǎn)臂、湯勺、湯勺臂三相交流電機進行調(diào)速；PLC分別通過控制兩對交流接觸器的通斷，控制爪手和噴霧手旋轉(zhuǎn)電機的正反轉(zhuǎn)，通過通電時間確定電機的旋轉(zhuǎn)角度。

取件旋轉(zhuǎn)臂的-45°，0°，45°三個旋轉(zhuǎn)角度位置的信號，噴霧手與取件爪手的旋轉(zhuǎn)原點位置信號，通過將凸輪安裝在減速器中心軸上，利用行程開關(guān)和凸輪配合的方式來標定。

舀湯手臂和舀湯湯勺位置通過分辨率8位256的E6CP-AG5C-C絕對型編碼器[9]確定。編碼器的8根信號輸出線與PLC的信號輸入口相連，以2進制形式將位置信息輸送給PLC，PLC內(nèi)部通過格雷碼轉(zhuǎn)換將相應的位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并儲存在相應的地址內(nèi)。

2.5 PLC與紅外溫度傳感器通訊

一機雙臂運行指定次數(shù)后，將進入測溫模式，對噴霧加強點的溫度值進行采集，監(jiān)控模腔內(nèi)部溫度。PLC與CLT15型紅外溫度傳感器[10]進行通訊時，傳感器將采集到的溫度信號通過0~10V標準電壓模擬量信號傳遞給PLC的A/D模塊，經(jīng)PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量溫度信號，存入相應的地址，將此溫度值與標準溫度值進行比較，判斷是否超過溫度警戒值。

2.6 一機雙臂氣壓液壓控制

一機雙臂的氣壓與液壓回路一共分為兩部分：

1）取件抓手和傳感器保護裝置氣缸氣壓控制回路。爪手氣缸，要完成取件臂抓取放置零件的任務(wù)；傳感器保護裝置氣缸，在需要使用紅外溫度傳感器時伸出氣缸，不需要時縮回，為使氣缸動作準確，在伸縮極限位置均增加磁性開關(guān)；

2）噴霧臂噴霧裝置液壓與氣壓控制回路。噴霧器共有7對噴頭，5對噴頭進行噴霧，2對進行噴氣。每個噴霧噴頭需要先將脫模劑和氣體進行混合后噴出，控制上需要對一對噴嘴的電磁閥進行控制；每個噴氣噴頭需要將氣體噴出完成對殘渣的掃吹，控制上需要對一對噴氣噴嘴的電磁閥進行控制。

通過PLC對相應電磁閥關(guān)斷狀態(tài)的確定，控制系統(tǒng)可以完成對每一對噴頭噴霧噴氣的控制，提高了裝置的柔性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

通過CX-Programmer[11]進行PLC程序的編制，程序設(shè)計采用的是模塊化的編程思想，利用工序步進[6]控制編程思想將整個工作流程劃分為不同模塊，通過信號的交互在不同的工序模塊之間進行跳轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)的控制劃分為手動操作部分與自動操作部分，在手動操作部分，可以對一機雙臂各被控單元進行控制；在自動操作部分，一機雙臂可按照工作流程，按指定工序完成舀湯、取件、噴霧動作，圖3是一機雙臂系統(tǒng)的全自動運行流程圖。

圖3 全自動運行流程圖

3.2 觸摸屏界面設(shè)計

本設(shè)備采用維綸通MT6000i觸摸屏與PLC進行通訊?；贓B8000[12]開發(fā)軟件，建立取件、噴霧、舀湯三級用戶界面。可在HMI界面上進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、工作模式設(shè)定、手動自動操作切換、監(jiān)控PLC運行情況，同時在系統(tǒng)遇到故障時，發(fā)出報警信息。圖4是開發(fā)界面結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 觸摸屏總體設(shè)計方案

在系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整界面上，可對取件、噴霧擋塊及原點位置進行設(shè)置；在工作參數(shù)調(diào)整界面上，可對取件、舀湯、取件運行參數(shù)進行設(shè)置；在全線運行界面，對整個運動流程進行啟停操作及運行狀態(tài)的監(jiān)控；在錯誤清除界面，可以清除電機錯誤。

4 結(jié)束語

現(xiàn)場的調(diào)試結(jié)果表明，壓鑄機取件噴霧一機雙臂機械手能流暢實現(xiàn)取件和噴霧兩大功能，并且能夠和舀湯機進行信號交互。取件臂可以精確定位抓取及放置零件，實現(xiàn)了零件碼垛功能。噴霧臂可選擇不同噴霧模式，不同的噴涂模式可設(shè)定不同噴涂路徑。取件噴霧周期縮短至20秒以內(nèi)，較現(xiàn)有取件噴霧裝置的效率提高了50%。具有較高的精度和柔性，提高了運行效率，降低了勞動強度，具有較高的推廣與應用前景。

[1] LK Group·Shanghai Atech Machinery Co. Ltd.. 自動化壓鑄機與壓鑄單元[A].中國鑄造協(xié)會.第七屆中國鑄造廠長（經(jīng)理）國際會議論文集[C].中國鑄造協(xié)會,2006：6.

[2] 王云昭.第三屆中國國際壓鑄會議及展覽會綜述[J].特種鑄造及有色合金,2002,04：37-38.

[3] 李良能.臥式冷室壓鑄機上自動澆注、取件、噴涂輔機裝置的應用[J].裝備機械,2002,04：14.

[4] 李義.國外工業(yè)機器人在鑄造生產(chǎn)中的應用概況[J].現(xiàn)代兵器,1983,09：27-29.

[5] 周志,楊濤.鑄造機器人的發(fā)展與應用[J].摩托車技術(shù),2014,10：33-36.

[6] CP1H CPU單元操作手冊.

[7] ASD-B2系列標準泛用性伺服驅(qū)動器應用技術(shù)手冊.2011.4.

[8] VFD-E使用手冊.

[9] E6CP_A編碼器說明書.

[10] Optris產(chǎn)品目錄.

[11] CX-Programmer用戶手冊2.0.

[12] EB8000使用手冊.