基于PLC的齿轮淬火机床全自动上料机控制系统设计

2018-03-13张华杨川

现代制造技术与装备 2018年1期

张华杨川

（重庆机电职业技术学院，重庆 402760）

1 背景介绍

齿轮是汽车重要的传动部件之一，它具有传动效率高、传动比稳定、工作可靠性高等特点。齿轮传动对轮齿的强度、硬度、耐磨性等工艺要求较高，淬火是齿轮加工过程中必不可少的热处理工序。齿轮淬火用齿轮淬火机床完成，目前淬火机床由人工上料，劳动强度大，一人操作一台机床，效率低。人工上料已经制约了企业生产，使企业生产成本上升。

基于上述原因企业提出了需求，设计一台齿轮淬火机床全自动上料机。能与现有的齿轮淬火机床匹配，取代人工，让一个人可以操作6至8台机床，上料机的节拍能够和齿轮淬火机床节拍匹配（1min加工10个），适应多品种的齿轮生产（直径60～120mm，厚度10～20mm），最后设备要稳定可靠，便于操作。

本文从企业需求出发设计了齿轮淬火机床全自动上料机。除了能够应用于齿轮零件，还可用于链轮、齿圈等盘类零件。上料机主要由料仓系统、上料机械手两大部分组成。控制系统主要采用PLC为控制核心，触摸屏做人机交互的设计。

2 机械系统

上料机主要由料仓系统、上料机械手两大部分组成，如图1所示。料仓系统由基座、转盘、提升滑台组成。上料机械手由滑台气缸、上下料气缸、手爪气缸组成，其中转盘上有8个独立的料仓，每个料仓放置工件的数量由工件的数量所决定。

图1 上料机三维实体造型图

上料机料仓系统转盘由交流电机带动凸轮分割器实现转盘精确定位。提升滑台由直线导轨和滚珠丝杠构成，由步进电机驱动，准确提升工件到指定位置。上料机械手主要由气动系统组成，由气缸驱动，实现齿轮的准确抓取。料仓的高度为450mm，淬火机床加工的齿轮厚度为10mm，料仓可盛放的工件数量为450/10=45，料仓系统总共可以容纳的齿轮为45×8=360个。机床加工效率为6个/min，人工一次装件可自动运行的时间为360/6=60min。

3 工作过程原理

人工将一批齿轮装入上料机转盘当中，启动上料机，上料机自动将转盘料仓中的齿轮一个一个放入淬火机床中，自动工作过程如图2所示。

图2 上料机工作过程图

4 控制系统硬件设计

4.1 系统组成

为了达到设备的运行稳定性、可靠性、操作便捷等要求，选择了以PLC为控制核心，使用HMI触摸屏做人机交互设计来满足上料机需求。控制系统硬件如图3所示，主要有HMI人机触摸屏、PLC、对射传感器、光纤传感器、接近开关、磁性开关、按钮、步进电机、交流电机、指示灯与气缸电磁阀。

图3 控制系统硬件组成图

4.2 PLC选型

根据企业维修人员对PLC的熟悉情况，在满足设备控制需求的前提下，考虑到稳定性、经济性、售后服务等因素选用了台达公司的DVP-ES2系列PLC为控制主机。上料机数字量输入14个，步进电机脉冲及方向输出2个，数字量输出4个。考虑到后续的升级留取了备用口，选择了台达公司的DVP24ES200T型号，数字量输入16个，输出8个。

4.3 步进电机选型

步进电机主要用于驱动提升滑台。提升滑台为垂直安装，使用滚珠丝杠传动，丝杠导程为5mm。每组料仓高度容量为450mm，容纳最大齿轮的直径为Φ120mm。料仓最大提升齿轮的总质量约为159kg，齿轮托盘为1kg，提升的最大质量为160kg。伺服电机需要扭矩T=M×g×PB/2π=160kg×9.8m/s2×0.005mm/6.28=1.25N·m（M为提升负载质量，G是重力加速度，PB为滚珠丝杠螺距）。考虑到启动加速过程和运动过程的冲击，将计算力矩提高2倍，即为2.5N·m。步进电机型号确定为57BYG250H。