TVT-4000E3柔性制造系统在后桥伞齿轮加工的应用

李立国 葛晨成

摘 要：随着工业自动化水平的发展，各种制造加工业的发展趋势都趋向于一体化制造加工方向。传统的生产模式工艺流程繁琐，设备系统分散，整体维修维护难度大，生产过程中故障率较高，生产效率较低。为克服传统生产模式中的缺陷和不足，在现场总线系统FCS或集散控制系统DCS模型下，引入以PROFIBUS-DP通讯模式的TVT-4000E3柔性制造单元可以很好的解决上述问题，提高生产效率，增加产能收益。

关键词：TVT-4000E3柔性制造单元;PROFIBUS-DP通讯

一、研究模型

论文以后桥伞齿轮加工为项目模型，将锻造、退火后的毛坯物料进行车削、齿轮加工、表面硬化处理等工序在TVT-4000E3柔性制造单元中进行模拟运行，最终实现将锻造、退火完成后的毛坯工件放入到生产线的始端（输入端），在生产线的末端（输出端）得到达到指定要求的伞齿轮。研究分析整体加工过程中一体化生产线结构及功能，为以后在实际生产的综合运用进行前期的准备工作。

二、生产线的构造及功能介绍

（一）整体结构与功介绍

根据生产工艺和产品要求，一体化加工系统主要为满足退火毛坯物料到后桥伞齿轮成品的加工。生产线中配有输送站、机械手臂站、加工站、综合处理站等子单元。根据加工顺序排列，依次为输送站、机械手臂、加工站、综合处理站等四个子站。核心控制器选用为西门子s7—200PLC或西门子s7—300PLC均可，各个PLC之间的数据传输为PROFIBUS总线通讯技术，可编辑程序控制器配有PROFIBUS模块（EM277模块），用于控制单元之间的数据通讯。

TVT-4000E3柔性制造单元采用PROFIBUS总线技术的DP模式传输速率为9.6kbit/s。其中主站为输送站与机械手臂站，其他子站挂靠在输送站和机械手臂之下的从站，包括之后的拓展模块（齿轮加工成型和热处理，加工站台全部挂靠在机械手臂站下，热处理模块挂靠在输送站下。生产线的整体结构如图一所示。

（二）输送站结构与功介绍

输送站输出连接有变频器和位置控制阀，输入连接有位置探测器。在整个系统担当了传送物料到达各个单元的任务。在总线控制中是第一个主站，也是物料到达的第一个站台，主要由以下辅助单元模块组成。

变频器：变频器主要控制电机转速，实现控制工件在传送带上的移动速度。

位置控制阀：由挡料阀和起料阀两部分组成，根据实际物料重量选取气动阀或是液动阀。

位置探测器：主要检测工件是否到达指定位置，反馈给PLC，确定是否输出位置控制阀控制信号。

（三）机械手臂站结构与功介绍

机械手臂站输出连接动作控制阀和移动控制器，输入连接限位开关和位置探测器。主要任务是将工件抓取到加工站进行加工。在总线控制中是第二个主站，是物料到达的第二个站台，主要由以下辅助单元模块组成。

动作控制阀：是由若干个气动阀或者液动阀组成，主要用于控制机械手臂的抓取物料和放置物料

移动控制器：主要根据实际情况分为步进器和伺服器，在本生产线当中为步进器（I0.0和I0.2）。

位置检测器：可以是有位置探测器或者旋转编码器构成，主要目的是使机械手臂在指定位置下放或者抓起工件。

（四）加工站结构与功介绍

加工站是整个生产线的核心站台工件将在本站台完成机械加工。在实际设计当中机械手臂的从站将有若干个子站组成。后桥伞齿轮加工要具备有车床主站、铣床站和齿轮机床站，共同配合完成加工过程。加工站的输出连接卡盘加紧阀、卡盘旋转主运动输出控制器、切削量控制模块和确进给量运动控制模块。

车床进给移动为非直线运动时由切削运动和进给运动复合形成，输入控制端有卡盘加紧检测和刀架台零点检测点辅助完成进给量的输出控制。加工站是一个理想化站台，是机械手臂站台的从站，主要完成后桥伞齿轮的加工工艺流程，典型辅助单元及功能简单表述如下。

第一，卡盘加紧阀：当PLC输出卡盘加紧阀控制信号时，卡盘开始加紧，保证工件紧固稳定;

第二，物料加紧检测器：为压力探测器或者为磁性传感器，只有物料加紧检测器为接通时系统才启动切削运动或者运行机床切削程序。

（五）热处理站结构与功介绍

热处理站在本生产线当中主要是作为终端处理站，主要完成后桥伞齿轮淬火和渗氮渗碳工艺处理。按照工艺参数的标准完成淬火、渗氮渗碳、精细打磨等任务输出端连接仓料控制阀、机械手臂控制阀和移动控制阀。机械手臂所抓取的工件物理环境和条件不同，因此在输入连接有温度检测器等不同类型的传感器，满足不同工艺参数条件下的生产过程。

温度检测器：温度探测器是热处理站的核心原件，是控制热处理站工作状态的控制信号源。如淬火、渗氮、渗碳的工作状态和机械手臂的状态和料仓开闭状态的控制，都需要温度控制器反馈信号经PLC处理后做出反馈判断。

仓料控制阀：是由若干个气动阀或者液动阀组成，主要控制料仓开启和关闭控制阀。

机械手臂控制阀：是由若干个气动阀或者液动阀组成，主要控制机械手臂状态如抓取或者放下的动作控制阀。

机械手臂移动控制信号：发出控制机械手臂移动的脉冲信号。

三、功能的深度开发

柔性制造系统整体结构紧凑，功能单元完整，硬件单元的拓展性及软件的兼容性好。以后桥伞齿轮加工为模型，在不同的主站或者子站都可以进行功能的深度开发，市场前景和发展潜力巨大。

（一）测量站

在机加工完成（单站或者全部机加工完成）后工件进入到测量站检测，只有合格后才行下一站移动，不合格则发出警报。

（二）检测站

检测工件的表面硬度、粗糙度和是否存在裂纹和检测，只有合格后才行下一站移动，不合格则发出警报。

（三）表面处理站

对齿轮表面进行打磨的处理站。

（四）全自动锻造站

将工件自动锻造形成后放入到输送小车上进行后续加工。

（五）全息位置探测器

以便实现自动对刀，增加生产线效率。提供增加探测器数量取消程序控制流程，改用反馈信号判断方式，使加工更加精确。

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