热模锻压力机生产线控制系统的设计

汤世松，仲太生，项余建，詹俊勇，范如明，马继斌

（江苏扬力集团有限公司，江苏 扬州 225127）

热模锻压力机生产线控制系统的设计

汤世松，仲太生，项余建，詹俊勇，范如明，马继斌

（江苏扬力集团有限公司，江苏 扬州 225127）

介绍了热模锻压力机生产线构成、轴承锻造生产工艺及控制策略，中央控制系统采用CC－Link总线与现场设备通讯，以满足控制实时性的要求。配套的自动快速换模有利于模具更换。

热模锻压力机；生产线；控制系统；现场总线；轴承锻造；自动快速换模

近年来，随着轴承行业装备及技术发展，以及生产制造过程人力成本的上升，原有多台单机组成的手工锻造生产线已经越来越不被接受，企业要提供更加有竞争力的产品，必须进行技术创新，提高生产率。

热模锻压力机广泛应用于汽车、拖拉机、机车、石化、军工等行业，是进行大批量、高精度模锻件生产的首选设备[1-2]，可以完成镦粗、预锻、终锻、切边、冲孔等工序。随着生产规模和科学技术的发展，锻造行业自动化生产线也有了快速发展。本系统是以扬力公司HFP-2500热模锻压力机为主体开发的一条全自动锻造生产线。通过该生产线的总体布局，开展有机械手（韩国东山伺服式）、自动送料装置、自动模具冷却润滑装置、自动快速换模系统等组成模块的设计，实现了多工位自动化锻造。该生产线自动化程度高，能够显著提高产品精度和质量，降低生产成本，改善了生产环境和劳动条件。

1 工艺流程及生产线构成

轴承精密热模锻生产工艺有：坯料加料、锻件分选、精锻、切边。坯料为圆钢经锯床按工艺尺寸下料后，经抛丸去除表面氧化皮后的圆棒料。热轧棒料表面或内部可能存在折叠、裂纹等缺陷，可以将在下料工序前对线材进行表层涡流探伤和内部超声波探伤，在缺陷部位做标记，并在随后下料时进行筛选，预防坯料造成的锻件缺陷。部分精密锻件要求预先进行去除表层氧化层等操作。由上料机械手按生产预定节拍将坯料送入中频电源的感应线圈导轨中，后序坯料推动前面坯料向炉口移动，坯料加热到锻造温度时从炉口落入引导槽，热料由引导装置送入锻件分选机构。红外测温仪设在引导装置处，由PLC模拟量模块根据实测温度控制分选机构提料汽缸动作，具有合格温度的坯料由第一个锻造机械手送入热模锻压力机精锻成形[3]。坯料加热可以选用高端品牌的中频感应加热炉，并集成自动上料装置、自动喂料装置、快速出料装置、防粘连装置，并集成在线式温度检测装置和闭环温度控制系统，以提高加热温度的均匀一致性和稳定性（出口温度波动不超过± 30℃），并对坯料加热温度进行三分选，对温度过高或过低的棒料进行三段式筛选处理，加热温度合格的棒料才可以进入锻造区域，对温度过高的坯料进行报废处理，防止过热或过烧的坯料进入生产线。其生产工艺流程图如图1所示。

图1 热模锻压力机生产工艺流程图

生产线主要设备为：上料机械手、横杆式专用锻造机械手，引导传输装置，锻件分选机构，热模锻快速换模装置。热模锻压力机生产效率高、操作简单、维修方便、适合自动化锻造流水线[4]。

热模锻压力机具有显著优点：打击速度快，模具热接触时间短，模具使用寿命长；采用上、下顶料设计，拔模斜度减小，节约锻材；抗倾斜率高，导轨精度高，锻件质量好[5]；采用PLC控制、多重安全操作回路系统，确保操作者安全；机体左右两侧设有作业窗口，锻件传递方便，也便于侧向送料实现自动化[6]；特殊的卡模解放装置，使解模迅速，且操作简单；可靠的集中润滑系统和手动补充润滑系统，有效降低磨擦损失；安装有国际先进的吨位仪，直观显示锻造力，可超负荷报警。如图2为典型的2500t热模锻压力机全自动生产线主体，从左往右分别为：中频加热炉（自动上料，温度三分选），全自动锻造中心，输送带，余热淬火油池（锻后热处理可根据实际技术需要灵活调整）等。

图2 热模锻压力机全自动生产线布置图

2 控制系统硬件电路配置

模锻压力机采用一级传动系统，主电机带动飞轮运转，飞轮与压力机偏心轴通过离合器进行扭矩传递，压力机偏心轴转速与飞轮同速，相对一般压力机较快，飞轮在下死点转差率相对较高，且工作模式一般采用一行程模式，即在实际工作中频繁制动，这就要求变频器频繁制动，会导致母线电压值升高，引起变频器报警。

热模锻压力机主要用于工件的热成形，对压力机下死点精度要求相对较高，而一般封高显示器显示精度为0.1mm，不能满足热模锻压力机对工件成形精度的要求。

热模锻压力机检测、监控点较多，需要的PLC输入输出点相对较多，如果将所有输入输出信号线直接连接到PLC本地单元，会导致配线非常繁琐，而且会带来干扰、线路稳定性等一系列问题。所以中央控制系统采用CC-Link总线与现场设备通讯，实时快捷方便。

控制系统采用按钮站手动、上位机点动操作和集中自动控制三种方法。控制系统硬件包括：电源模块（Q61P）、CPU模块（Q03UDECPU）、输入模块（QX42）、输出模块（QY42P）、CClink模块（QJ61BT11N）、Modbus模块（QJ71MB91）和接线端子（A6TBXY36）。图3为控制系统电路框架图。

远程I/O模块、模拟量模块、远程温度模块通过CClink专用电缆与CClink模块进行通讯连接，压力机控制所需的所有输入信号、输出信号直接连接在远程I/O模块上，气压模拟量信号直接连接在模拟量模块上，温度传感器信号直接连接在远程温度模块上。所有从PLC本地单元到压力机控制台部分信号线，由一根CClink专用电缆形成工业现场总线，而且因CClink专用电缆采用高速双绞屏蔽等特殊处理，其抗干扰能力大大提高。

图3 控制系统电路框架图

3 自动快速换模系统

现有大吨位热模锻压力机更换模架、模具过程费工、费时、费力，而且存在一定危险性，所以配套一种热模锻快速换模装置十分迫切，而且能够提高生产率。在热模锻工艺中实现生产过程自动化控制，将现代化控制手段用于传统产业技术改造，以促进工程技术进步，提高机械生产领域的自动化水平。快速换模系统主要包括移动小车、左模架库、右模架库、换模平台和操作台[7]。

移动平台可以将模架整体运送到压力机后侧，再由移动推拉电机牵引模架到限位位置，当检测到限位开关信号，移动推拉电机停止。移动小车限位柱升起，防止模架滑动。再由行走电机驱动移动小车到换模平台下，换模平台上的滑块提升上模架到上限位开关信号时会停止。当上模架抬起到上限位后，换模平台上的限位柱锁定滑块，防止滑块缓慢下降。

人工可伸缩的换模手臂伸出更换多个工位模具。换模手臂上升、下降由液压站电磁阀通电驱动。更换完模具后，上模架再下降，松开锁紧T形螺栓。模具更换完毕后，滑块再提升到初始位置，由限位柱锁定，接着由左模架库上的大减速比的电机带动链条上的钩子，钩住牵引装置，拉住模架在平行的轨道上滑行，回到左模架库，到左模架库限位位置时停止。左模架上由气动阀控制的气动限位柱升起，锁定模架模具，防止模架模具滑动。

4 系统程序设计

整个电气控制系统技术先进，性能可靠，功能完善，抗干扰能力强。对设备的重要执行元件（如离合器、制动器）控制信号进行反馈监控，可避免误动作。制动器、顶料高保及其他重要执行元件的信号检测采用两个接近开关，以提高动作的可靠性。曲轴转角监测同时采用稳定可靠的机械凸轮和光电编码器。曲轴转角进行数字显示。系统主要参数随时显示（如温度、压力、打件计数）、打印、修改（如润滑次数）。系统软件主要由自检程序和应用控制程序组成。系统运行状态通过人机界面（触摸屏）一目了然，诸多参数可通过触摸屏修改，方便实用。

滑块上的位移传感器安装在封高调节杆上，其信号线接入封高显示器，当封高电机上下运行时，通过传动机构，位移传感器将封高调节机构上下位移量信号提供给封高显示器，并通过专用电缆与Modbus模块进行串行通讯连接，位移传感器采用10kHz正弦波输入信号，其测量精度为0.001mm，控制精度（解析度）为0.01mm。通过Modbus通讯设定和相关设置，在触摸屏中显示出当前模高值，其精度为0.01mm。现场冲压的汽车内外轮毂轴承金属填充良好，材料变形阻力小，温度及变形均匀[8]。经过数控加工中心加工后的汽车轮毂轴承实物图如图4所示。

图4 汽车轮毂轴承实物图

5 结束语

随着汽车工业在我国的迅猛发展，汽车类锻件的需求不断扩大，为此，开发了HFP热模锻压力机系列产品。本文设计开发了一条HFP2500t热模锻压力机汽车轴承全自动冲压生产线，锻件批量大，产品要求较高。部分零件形状较规则，重量和体积较小，特别适合采用热模锻压力机并配备步进式机械手进行多工位自动化生产。乘用车常见锻件采用多工位自动化锻造工艺，可有效节约企业成本，提升核心竞争力，大幅降低上游企业的采购成本、机加工成本等综合运营成本，提高供货可靠性、产品一致性及产品综合质量，具有可观的经济效益和社会效益。

[1] 赵旭辉.热模锻压力机的应用现状分析[J].金属加工，2014，（5）：53-54.

[2]朱元胜，栾新民.常用模锻设备的结构性能特点及应用发展趋势[J].锻压装备与制造技术，2007，42（5）.

[3]刘继修.基于ProfiBus现场总线的伞齿轮精密热模锻生产线控制系统[J].电力电子技术，2004，16.

[4]刘宗江，蒋洪海，张国强.45°剖分连杆体毛坯在热模锻生产线上的锻造工艺[J].锻压装备与制造技术，2010，45（1）.

[5]陆爱国，朱新武，孙成建.10000kN热模锻压力机有限元分析[J].锻压装备与制造技术，2012，47（6）.

[6]杨 健，朱瑞祥.基于单片机齿轮热模锻机械手控制系统设计[J].机械设计与制造，2012，（7）.

[7]石小荣.多工位齿轮热模锻自动化锻造线[J].金属加工，2013，（9）.

[8]李振红，黄英娜，孔凡新.轮毂轴承外圈亚热闭式精锻成形技术研究[J].轴承，2014.

Design of the control system for hot die forging press production line

TANG Shisong,ZHONG Taisheng,XIANG Yujian,ZHAN Junyong,FAN Ruming,MA Jibin
（Jiangsu Yangli Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The production structure,bearing forging production process and control strategy of hot die forging press have been introduced in the text.The central control system communicates with field device via cc-link bus to meet the requirements of real-time control.The automatic quick die changing system coordinated in the press is beneficial to change die.

Hot die forging press;Field bus;Bearing forging;Control system;Automatic quick die changing

TG315；TP275

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.011

1672-0121（2016）02-0044-03

2015－06－26；

2015-08-07

汤世松（1985-），男，硕士，工程师，从事交流伺服技术、机电一体化等设计研究。E-mail:tangshisong26@163.com