基于PLC控制的機器人鋁合金車輪鑄造系統

劉 勇

（連云港杰瑞模具技術有限公司，江蘇連云港 222006）

0 引言

車輪是汽車和摩托車的重要組成部分，承受車體自重和所承載的人和物體的重量。輕量化的鋁合金車輪，更能適應整車高速化、節能化、現代化、高檔次發展的需要[1]。傳統的鋁合金車輪生產采用人工，長時間的單一重復勞動引起的疲勞和誤操作容易產生安全事故，而且人工在控制澆鑄量上的不精確會產生能量損耗，引入機器人進入鑄造環節，可明顯降低生產成本和工人的勞動強度，提高生產效率。利用PLC的邏輯控制和網絡擴展，也可以將其后加工及處理結合起來，實現生產的自動化，達到更好的社會效益和經濟效益。

1 鑄造的方案設計

在進行系統改造前，人工鑄造一般采用單機模式，采用一人一機進行生產。由于人工在控制澆鑄量時存在隨意性，且隨著勞動時間變長，疲勞帶來精神不集中，容易引起安全事故。在機器人介入生產時，可以實現一機多模下的生產，一臺機器人對多臺油壓機上的模具進行澆鑄。

本案例為1臺機器人對4臺澆鑄機進行澆注，涉及主要設備有澆鑄機、模具、機器人及附加第七軸伺服澆柄、澆鑄機操作控制盒等。如圖1所示。

2 機器人伺服澆鑄系統結構硬件

機器人伺服澆鑄系統由六軸工業機器人（含機器人控制柜）和附加第七軸伺服澆柄組成，根據澆鑄成型重量選擇合適的機器人和設計選用第七軸伺服澆柄。該系統在空間內將完成熔化的鋁合金從熔爐澆注到輪轂模具澆口的運動，完成澆注過程。

2.1 六軸工業機器人的主要特點：

（1）速度快，重復精度高；

（2）IP67等級防護，環境適應性強；

（3）耐熱耐高溫，可蒸汽清洗；

（4）支持在線編程和離線編程。

圖1 機器人澆鑄系統布局

2.2 附加第七軸伺服澆柄的主要特點

（1）伺服專用傘齒驅動

背隙小，精度高（±1%），運行平穩，維護簡單，噪音小。

（2）法蘭與機器人J6軸側面固定

降低機器人所受輻射，減少了機器人與熔爐及澆鑄的干涉。

（3）澆包簡易調節

旋轉角調整方便，拓展機器人的自由度，模擬人體動作澆鑄范圍更廣，澆鑄更精確

（4）液面檢測及保護裝置

①不銹鋼檢知棒

大幅度減少金屬液體在棒端形成氧化的可能性，增加了液面高度檢測的真實性。

圖2 機器人伺服澆鑄系統

②檢知棒簡易調節

通過螺母夾緊位置的調整來改變探棒的檢測端長短，以適應不同舀液量的需求。

③附加超程保護

保護了機器人在任何意外情況下都不會過多地進入金屬熔液而造成部件損壞。

表1 PLC系統I/O分配表

④澆包更換快捷

伺服澆包采用凸臺定位，澆包的更換只需擰動1個螺栓即可更換。

3 基于PLC的機器人伺服澆鑄的電氣硬件

電氣控制回路構成：PLC、通訊模塊、人機界面。

選用三菱FX-3U-128MR/ES-A，選用FX-2N-16CCL-M作為CC-Link系統主站模塊，對PLC和機器人控制柜進行通訊。

3.1 FX3U系列PLC簡介

FX3U系列PLC是三菱公司最新開發的第三代小型PLC系列產品，它是三菱公司目前小型PLC中CPU性能最高，并適用于網絡控制的小型PLC系列產品。FX3U系列PLC采用了基本單元加擴展的形式，基本功能兼容了FX2N系列的全部功能。具有速度快、容量大、功能強的特點[2]。FX-3U-128MR/ES-A具有64點輸入，64點輸出。

3.2 CC-Link系統簡介

CC-Link(Control&Communication Link)是連接PLC控制設備傳感器驅動設備的現場總線網絡的簡稱[3]。CC-Link系統是通過使用專用的電纜將分散的I/O模塊，特殊高功能模塊等連接起來，并且通過PLC的CPU來控制這些相應模塊的系統。

①通過將每個模塊分散到類似傳送生產線和機械等設備中去，能夠實現整個系統的省配線。

②通過使用類似I/O或者數字數據的ON/OFF數據的模塊，能夠實現簡單的高速的通信。

③可以和其他廠商的不同的設備進行連接，使得系統更具有靈活性。

3.3 人機界面

選用WEINVIEW公司生產的MT6070iH型產品，性能參數如下：

大小：7寸16:9寬屏，65 536色TFT LCD，800×480分辨率；

性能：400MHz CPU，128MB內存；

圖3 系統電氣控制回路

接口：3個COM接口，1個USB2.0接口，1個USB1.1接口。

電氣控制回路圖如圖3所示。

4 操作流程

機器人具有的在線和離線編程功能，根據現場實際安裝情況，進行在線示教操作，對機器人從熔爐內舀取熔融狀態的鋁合金流體到各臺澆鑄機澆口位置進行示教操作，保存路徑供自動運行使用；也可以采用離線編程，在軟件內進行模擬，將模擬路徑導入到機器人控制器里。PLC根據設定的程序，結合接口控制柜上的人工操作信號，對各臺澆鑄機進行澆注。澆鑄流程和接口控制柜如圖4和圖5所示。

5 結語

圖4 澆鑄流程

圖5 接口控制柜

在降低成本和品質提升的雙重要求下，機器人已經廣泛地應用到工業企業，從事搬運碼垛、焊接、鑄造等諸多領域，PLC作為主要的控制部件，可靠性高、豐富的I/O接口及其良好的擴展性能，在自動化行業發揮著巨大作用，本文也通過PLC，使得系統的后期持續改進能夠較好地延續。

［1］趙玉濤.鋁合金車輪制造技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］陳蘇波，楊俊輝，陳偉欣，等.三菱PLC快速入門與實例提高［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］龔仲華，史建成，孫毅.三菱FX/Q系列PLC應用技術［M］.北京：人民郵電出版社，2006.