凡占穩(wěn)，楊廣文，王 赫

（北京機(jī)電研究所有限公司，北京100083）

當(dāng)前，在真空熱處理過程中，物料在熱處理各工序之間的流轉(zhuǎn)仍需要由人工送料取料，占用較多人力資源，生產(chǎn)過程效率不高，安全性低，生產(chǎn)工藝相對(duì)粗糙。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化的水平在不斷的提高，越來越多的行業(yè)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化[1-4]，但是在制造業(yè)領(lǐng)域中一些較為傳統(tǒng)的工藝自動(dòng)化水平還比較低。在熱處理各工序中引入自動(dòng)送料系統(tǒng)，可有助于減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)的安全性可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性[5-6]。

1 系統(tǒng)功能

針對(duì)傳統(tǒng)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(shè)計(jì)了一種真空熱處理生產(chǎn)線的自動(dòng)料車控制系統(tǒng)。真空高溫低壓滲碳熱處理工藝分為脫脂預(yù)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(dòng)料車能完成在裝卸料臺(tái)、預(yù)熱爐、真空滲碳油淬爐、真空滲碳?xì)獯銧t、清洗機(jī)、回火爐之間物料的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；通過與熱處理設(shè)備之間建立通信，自動(dòng)判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)自動(dòng)排產(chǎn)，提高設(shè)備的利用率。其具體功能如下：

自動(dòng)料車能夠按照生產(chǎn)工序流程，通過伺服定位系統(tǒng)進(jìn)行左右行走，精確定位；料車配有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)使旋轉(zhuǎn)托盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)料車兩側(cè)的設(shè)備進(jìn)行送料取料；料車架伸縮機(jī)構(gòu)位于旋轉(zhuǎn)托盤之上，通過料車架的伸縮實(shí)現(xiàn)料車與爐門的對(duì)接，推拉料機(jī)構(gòu)位于料車架之上，并附帶有可翻轉(zhuǎn)的料鉤，推拉料機(jī)構(gòu)與料鉤相互配合可以實(shí)現(xiàn)物料的送入與取出。自動(dòng)料車與熱處理設(shè)備的位置示意圖如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)料車與熱處理設(shè)備位置Fig.1 Location of automatic skip car and heat treatment equipment

2 自動(dòng)料車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

自動(dòng)料車選用晶閘管型PLC 主機(jī)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(guān)作為料車檢測(cè)單元，選用伺服電機(jī)、變頻器、編碼器以及交流電機(jī)作為料車動(dòng)作執(zhí)行單元[6-9]。

其中，光電傳感器和接近開關(guān)能檢測(cè)到料車執(zhí)行動(dòng)作的位置信息，并傳送給PLC 控制單元；PLC主機(jī)配合伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)料車的左右行進(jìn)；料車架伸縮與料車架托盤的旋轉(zhuǎn)通過PLC 對(duì)變頻器和交流電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)；拓展控制單元配合變頻器、 編碼器以及交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)料車的送取料動(dòng)作；料鉤翻轉(zhuǎn)電機(jī)為直流電機(jī)，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(jìn)行手動(dòng)操作，便于調(diào)試和維護(hù)。料車PLC與各真空設(shè)備的PLC 之間通過PC-link 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，使料車便于查詢到各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)相關(guān)工藝發(fā)送不同的控制指令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)料車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of automatic skip car control system

2.2 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)中，各設(shè)備的PLC 之間通過PC-link網(wǎng)絡(luò)連接。在料車進(jìn)行伺服定位之后，料車系統(tǒng)向所定位的熱處理設(shè)備發(fā)送料車到位信息，熱處理設(shè)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(jié)束后，熱處理設(shè)備向料車系統(tǒng)發(fā)送信息，通知料車接收物料，并送至下一設(shè)備進(jìn)行下一步工藝。

在PLC 程序中，料車的物料轉(zhuǎn)運(yùn)程序作為主程序，其中包括行車伺服定位程序模塊、進(jìn)退料車架程序模塊、料車架旋轉(zhuǎn)程序模塊、推拉料程序模塊、翻鉤翻轉(zhuǎn)程序模塊及變頻器調(diào)速程序模塊等。主程序能對(duì)各程序模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)用，各接近開關(guān)和光電開關(guān)作為接收信號(hào)連接到PLC，PLC 根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。變頻器模塊程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速，提高控制的精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件流程如圖3 所示。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 PLC 與伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位

由于料車的送取料動(dòng)作需要推拉料機(jī)構(gòu)深入到設(shè)備爐體的內(nèi)部，定位過程中微小的誤差都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此在生產(chǎn)中精確定位是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的前提。故在此，料車行走采用由伺服電機(jī)構(gòu)成的伺服定位系統(tǒng)，能夠精確地定位到各設(shè)備的爐門位置，提高送料過程的安全性和穩(wěn)定性。

圖3 系統(tǒng)軟件流程Fig.3 System software flow chart

在該系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行原點(diǎn)搜索，上料臺(tái)作為起始位置被定為機(jī)械原點(diǎn)，在每次上電之初，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行原點(diǎn)搜索，將料車定位到上料臺(tái)即初始位置。在小車的導(dǎo)軌兩端分別配置有CW 界限檢測(cè)傳感器和CCW 界限檢測(cè)傳感器，二者分別對(duì)于應(yīng)導(dǎo)軌的左極限與右極限，在上料臺(tái)位置和上料臺(tái)右側(cè)分別配置原點(diǎn)輸入傳感器和原點(diǎn)附近輸入傳感器。PLC 通過原點(diǎn)搜索ORG 指令，根據(jù)原點(diǎn)附近輸入信號(hào)和原點(diǎn)輸入信號(hào)向原點(diǎn)進(jìn)行定位，將料車從當(dāng)前位置定位到上料臺(tái)。

PLC 控制器可以實(shí)現(xiàn)多種不同方式脈沖的輸出。該系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能是使料車從一個(gè)固定位置到另一個(gè)固定位置精確行程量的移動(dòng)。PLC主機(jī)通過PLS2 指令，可以進(jìn)行加減速比率不同的臺(tái)型加減速脈沖輸出控制，如圖4 所示。根據(jù)料車每次需要行駛的行程量，可以通過對(duì)PLS2 指令脈沖輸出量、目標(biāo)頻率、加速比率、減速比率進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)料車平穩(wěn)啟動(dòng)、恒速運(yùn)行和減速精確定位的功能。

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

在實(shí)際工業(yè)運(yùn)行環(huán)境中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損等原因，長時(shí)間使用可能會(huì)降低伺服電機(jī)的控制精度，導(dǎo)致料車的定位精度下降。為保證系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，在各設(shè)備的定位點(diǎn)加裝接近開關(guān)傳感器，進(jìn)行輔助機(jī)械定位。當(dāng)伺服電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)“失步”時(shí)，控制系統(tǒng)沒有接收到接近開關(guān)的信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)行進(jìn)，直到接近開關(guān)得電；當(dāng)伺服電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)“過沖”時(shí)，接近開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)就會(huì)立即使系統(tǒng)控制伺服電機(jī)制動(dòng)。

3.2 PLC 與編碼器實(shí)現(xiàn)固定行程

系統(tǒng)中，物料由料車上的推拉料機(jī)構(gòu)送到熱處理設(shè)備內(nèi)部的料臺(tái)上。傳統(tǒng)推拉料機(jī)構(gòu)行程位置的定位是由置放在推拉料機(jī)構(gòu)之上的接近開關(guān)確定的。

由于該系統(tǒng)需要對(duì)裝卸料臺(tái)、預(yù)熱爐、真空滲碳油淬爐、真空滲碳?xì)獯銧t、清洗機(jī)、回火爐等不同的設(shè)備進(jìn)行送取料，各設(shè)備內(nèi)部的料臺(tái)所處位置不同，對(duì)應(yīng)的推拉料機(jī)構(gòu)送取料的行程也相應(yīng)不同，而安裝接近開關(guān)進(jìn)行定位會(huì)占用較多的空間和設(shè)備資源，因此提出編碼器與推拉料機(jī)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)推拉料機(jī)構(gòu)送取料行程的定位。

編碼器體積小，精密度高且穩(wěn)定抗干擾，在工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)制造中廣泛應(yīng)用，選用PLC 與編碼器結(jié)合控制推拉料機(jī)構(gòu)的定位完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(dòng)料車控制系統(tǒng)中，編碼器與推拉料機(jī)構(gòu)的交流電機(jī)相連接。當(dāng)推拉料機(jī)構(gòu)動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，編碼器根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)獲得脈沖信號(hào)并傳給PLC控制系統(tǒng)。CP1H CPU 內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器單元根據(jù)編碼器脈沖記錄當(dāng)前值，并通過CTBL 指令登錄比較表。CTBL 比較表中有預(yù)先設(shè)定的高速計(jì)數(shù)器端口號(hào)、脈沖目標(biāo)值和中斷號(hào)，當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值與比較表記錄的脈沖目標(biāo)值一致時(shí)，執(zhí)行中斷程序。中斷程序?yàn)橥评蠙C(jī)構(gòu)的制動(dòng)程序，中斷程序被執(zhí)行后電機(jī)制動(dòng)，定位完成。通過設(shè)定CTBL 的比較表中的脈沖數(shù)目標(biāo)值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)推拉料機(jī)構(gòu)不同行程量的定位。推拉料機(jī)構(gòu)定位程序如圖6 所示。

圖6 推拉料機(jī)構(gòu)定位程序Fig.6 Positioning procedure of push-pull mechanism

3.3 自動(dòng)料車與熱處理設(shè)備之間的相互通信

自動(dòng)料車和熱處理設(shè)備之間要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。自動(dòng)料車在轉(zhuǎn)運(yùn)物料過程中需要即時(shí)知道各設(shè)備的狀態(tài)，并根據(jù)各設(shè)備的狀態(tài)執(zhí)行下一步的動(dòng)作并對(duì)設(shè)備發(fā)出控制指令。PC-link 網(wǎng)絡(luò)是較常見的PLC網(wǎng)絡(luò)，傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，安全穩(wěn)定并且易于實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)選用PC-link 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備上PLC 之間的通信。

在歐姆龍編程軟件中，對(duì)串行選項(xiàng)端口的通信參數(shù)設(shè)置、模式選擇、連接字字?jǐn)?shù)設(shè)定、鏈接模式等部分進(jìn)行修改，并在硬件上對(duì)主站和從站進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)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(shè)置Fig.7 Software settings of master station and slave station of PC-link

4 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題

在此針對(duì)自動(dòng)料車安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)的幾個(gè)問題進(jìn)行簡單分析，并給出解決辦法。

在料車系統(tǒng)中，接近開關(guān)由安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的金屬塊觸發(fā)。實(shí)際調(diào)試過程中，出現(xiàn)料車旋轉(zhuǎn)提前停止、料車到位后未停止等錯(cuò)誤。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，接近開關(guān)敏感度過高，在旋轉(zhuǎn)過程中誤檢旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)其它部位而被觸發(fā)停止。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)速度過快，接近開關(guān)得電后電機(jī)未能及時(shí)制動(dòng)而導(dǎo)致了過沖。經(jīng)過調(diào)試，通過提高接近開關(guān)的檢測(cè)距離，降低旋轉(zhuǎn)速度或者變頻降速停止等，可以解決上述問題。

PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖頻率的高低，決定了料車伺服電機(jī)運(yùn)行速度的快慢。對(duì)于CPIH 系類PLC 控制器，其能發(fā)出脈沖的最高頻率為100 kHz，而系統(tǒng)所選用的伺服驅(qū)動(dòng)器能接收脈沖的最高頻率為500 kHz，因此導(dǎo)致料車的伺服控制速度緩慢。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，調(diào)整電子齒數(shù)比，可以提高料車的速度，但相應(yīng)地會(huì)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(tǒng)在運(yùn)行過程中人為地翻動(dòng)翻鉤，在料車上加裝了翻鉤保護(hù)裝置，通過接近開關(guān)檢測(cè)，可以確保翻鉤在運(yùn)行過程中處于正確的位置。

5 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)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(dòng)送料車控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)仿真、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠高效，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要和客戶生產(chǎn)需求，對(duì)于減少勞動(dòng)力提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。