氣門電鐓成型生產線的控制系統設計

李偉光 王 勇

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

1 氣門電鐓生產線設備組成

氣門電鐓生產線主要完成氣門的電鐓和沖壓成型這兩道工序，現有生產條件是由人工將電鐓完畢的氣門搬運到摩擦壓力機模具內，同時還要完成沖壓完畢后氣門的夾取和石墨的噴涂，由于人工操作的不穩定性，嚴重影響氣門的質量。針對該生產線自動化改造需求，設計了機器人+機械手控制系統，利用該套控制系統與電鐓機、壓力機配合使用實現氣門電鐓、壓力成型環節的自動化生產。該設備群由三臺電鐓機、一臺壓力機、一臺五軸機器人及一臺兩自由度機械手構成。整套控制系統能實現這六臺設備按既定的生產工序精確協調動作。

2 氣門電鐓生產線工作流程

電鐓成型工序機器人+機械手系統與電鐓機及摩擦壓力機配合，需完成如下動作［1］：①電鐓機A對棒料進行電鐓，獲得氣門電鐓毛坯(間隔一定時間后，電鐓機B、C相繼開始對棒料進行電鐓，經過同樣時間間隔后，電鐓機A再次開始進行電鐓)；①機器人從電鐓機A抓取氣門電鐓毛坯；③機器人將氣門電鐓毛坯送摩擦壓力機的成型模具上方；④機械手從機器人手中接取氣門電鐓毛坯，同時機械手對成型模具內腔噴潤滑劑；⑤機器人退出摩擦壓力機模具上方，回到等待點等待下一只氣門電鐓完畢；⑥同時，機械手向下運動將氣門電鐓毛坯送入摩擦壓力機的成型模具內，然后退出；⑦摩擦壓力機工作，將毛坯沖壓成型；⑧機械手將氣門從摩擦壓力機的成型模具內取出，并放到物料箱；⑨機器人從電墩機B、C夾取過程與A類似。

圖1所示工作流程以制造一只氣門芯的電鐓沖壓工藝為依據，所有設備的動作順序和設備之間的動作協調以及各設備運行的時間限制均以氣門芯的生產工藝數據為準。因電墩機B、C工作流程與A類似，故此流程未涉及電鐓機B和C。這三臺電鐓機按A—B—C—A的順序依次開始電鐓，時間間隔相等且最小不能少于機器人完成一次夾取的時間，否則機器人來不及夾取而下一個氣門已電鐓完畢勢必造成時間等待而使氣門溫度下降，影響氣門質量。

3 控制系統方案設計

結合氣門電鐓成型工序中的設備尺寸、現場布局、控制方式、工作流程等特點，設計了5軸機器人和2自由度機械手的控制系統，其中電鐓機完成氣門的電鐓，壓力機完成氣門的沖壓，機器人負責氣門從電鐓機到壓力機的搬運，機械手負責氣門的交接、入模、取放。本文控制系統設計如下［2］，圖2所示為氣門電鐓生產線控制系統框圖。

三臺電鐓機能單臺運行，單獨運行的電鐓機能獨立完成一只氣門芯的電鐓，整個電鐓過程自動完成；也可以三臺聯機運行，嚴格按先后順序依次電鐓。可以說，電鐓機就如同一個黑匣子，它的運行無需人工干預，只需要獲取它的傳感器信號或用于驅動執行機構的信號即可。

現有的摩擦壓力機是手動運行，由工人操作實現沖壓、回退及噴涂石墨。因此有必要實現自動化的改造，實現全自動控制。

機器人有5個自由度，能實現大范圍的工件夾取。由PC+運動控制卡實現，運動控制卡控制5臺伺服驅動器帶動伺服電動機。機器人末端有一執行氣缸用于抓取氣門芯，該執行器采用通用化設計，實現絕大部分氣門的夾取。機器人的精確高速運動保證氣門搬運的工作節拍。

機械手要實現氣門的交接、插入模具、噴涂石墨、取出沖壓后的氣門、落放氣門等操作。控制邏輯簡單，用PLC實現起來較方便。用一個升降氣缸實現上下運動，用滾珠絲杠和直線導軌實現直線的快速運動，滾珠絲杠由伺服電動機驅動。

4 控制系統的硬件實現

圖3給出了整體系統的硬件結構，該系統分為四個子系統，現分述如下：

(1)機器人子系統硬件結構：運動控制卡控制機器人的5個關節處的伺服電動機，電動機選用安川伺服電動機。在上位PC機用VC++編程調用控制卡庫函數并執行目標代碼，運動控制卡只是負責控制信號輸出以及狀態和反饋信號的采集，機器人的運動實現了氣門芯從電鐓機到摩擦壓力機的搬運。PC機通過RS232與觸摸屏線連接，觸摸屏通過RS422線與主站PLC連接，PC與PLC實現串口通信，PC能讀PLC的軟元件也可以置位某位軟元件。PLC要進行邏輯控制，控制電磁閥動作及讀取三臺電鐓機的狀態信號。最為重要的是，該PLC還要與機械手子系統的從站PLC進行實時通訊，交換標志位。運用三菱的CC—LINK總線技術，主PLC端加一個16CCL-M模塊，從PLC端加一個32CCL模塊，用專用電纜連接起來，通訊程序可實現兩個PLC的通訊，速度可高達10 Mbps［1］。

(2)機械手子系統硬件結構：機械手子系統以PLC為主控制器，選用晶體管輸出型PLC，其中Y0，Y1輸出口可以輸出指定頻率的定量脈沖，即速度可以指定，行程也可指定。高速脈沖輸出不受掃描周期影響，進行中斷處理，滿足實時性需求。最高輸出頻率可達20 kHz，滿足速度的需求［3-4］。電動機選用安川伺服電動機。其次PLC還要控制摩擦壓力機的沖壓和回退、控制石墨的噴涂、控制氣爪的張開和夾緊、采集極限信號做出判斷進行處理。

(3)摩擦壓力機子系統：摩擦壓力機是完成沖壓成型的設備，等待機械手PLC發出已將氣門芯放入模具的信號后，沖頭下行，沖后自動回退。摩擦壓力機受控于機械手PLC。

(4)電鐓機子系統：電鐓機用PLC及觸摸屏實現三臺電鐓機的控制，完善的電控系統能單獨或者聯機完成電鐓全程。電鐓過程的工藝參數、時間參數已全部儲存于控制系統，可以根據棒料的不同進行選擇［5］。由于電鐓機的PLC程序不對用戶開放，但電鐓機的電鐓完成信號可以為機器人PLC獲取，機器人PLC與PC實時通訊，然后PC發出命令驅動機器人夾取氣門芯。從PLC獲取電鐓完畢信號到機器人夾取到氣門芯這個時間很短暫，故要求機器人動作迅速且定位準確。

5 聯機調試

利用機器人+機械手系統與多臺電鐓機壓力機動作的協調、參數的設定與控制，實現氣門電鐓、壓力成型環節的自動生產。由于設備多、時序復雜、控制流程易錯，因此聯機調試非常重要。聯機調試過程如下：

(1)設備安裝、電氣接線

根據電氣圖進行設備接線，以及各系統之間的電氣互聯。

(2)編制程序

機器人控制程序主要實現機器人的運行程序、監控程序、示教程序、報警程序等；PC與PLC串口通訊程序實現PC機捕獲及置位PLC的標志位；兩臺PLC之間通過CCLINK總線實現通訊；單個PLC的程序實現各自的邏輯控制。

(3)單機運行

機器人的單機運行包括：通過示教實現點到點的往復運動，機器人的運動速度可以修改，運動路徑也能修改；監控程序能實現各電動機狀態的監控以及各極限信號的情況；機械手PLC對伺服電動機的控制能實現直線運動，氣爪開合，氣缸升降，石墨噴涂，以及對摩擦壓力機的控制。

(4)聯機運行

聯機運行是最復雜的，三臺電鐓機與機器人是并行處理的兩個子系統。電鐓機電鐓過程不受干擾，電鐓機A在電鐓一只氣門芯的周期內，電鐓機B和C依次啟動電鐓；每臺電鐓機電鐓完畢后，機器人前來夾取，至于到底是哪臺電鐓完畢，機器人會獲取該臺電鐓機的信號進而確定目的地。

(5)極限狀況操作

上述步驟只能驗證整個系統對常規工作流程的執行，但生產現場往往會出現意想不到的情況。比如伺服軸運動到極限開關以外區域，某一重要傳感器信號未能獲取，機器人未退出摩擦壓力機即開始沖壓，程序跑飛，系統死機，突然斷電等，這些都會造成嚴重的事故。對極限情況的有效處理，對故障的周全考慮及其解決就顯得非常重要了。

6 結語

經過長期的試運行，各子系統均正常工作，工作協調無誤。該氣門電鐓成型生產線運行穩定，自動化程度高，操作方便，大大提高了效率，減輕了生產現場對勞動力的依賴程度，保證了氣門的生產質量。

［1］天津昊鼎精密機械技術有限公司.立式單工位電鐓機EVD-1ZD使用說明書［Z］.2006.

［2］羅瑋韜.氣門電鐓成型工序機器人控制系統的研究［D］.廣州：華南理工大學，2008.

［3］日本三菱電氣公司.FX2N系列可編程控制器使用手冊術［Z］.1998.

［4］閆娓，陳忠提，趙安.PLC觸摸屏直接控制伺服電機程序設計［J］.機床電氣，2009(4).

［5］陳健，張忠夫，孫友松，等.氣門電鐓機計算機控制系統研制［J］.機床與液壓，2004(6).