熱模鍛壓力機生產線控制系統的設計

湯世松，仲太生，項余建，詹俊勇，范如明，馬繼斌

（江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225127）

熱模鍛壓力機生產線控制系統的設計

湯世松，仲太生，項余建，詹俊勇，范如明，馬繼斌

（江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225127）

介紹了熱模鍛壓力機生產線構成、軸承鍛造生產工藝及控制策略，中央控制系統采用CC－Link總線與現場設備通訊，以滿足控制實時性的要求。配套的自動快速換模有利于模具更換。

熱模鍛壓力機；生產線；控制系統；現場總線；軸承鍛造；自動快速換模

近年來，隨著軸承行業裝備及技術發展，以及生產制造過程人力成本的上升，原有多臺單機組成的手工鍛造生產線已經越來越不被接受，企業要提供更加有競爭力的產品，必須進行技術創新，提高生產率。

熱模鍛壓力機廣泛應用于汽車、拖拉機、機車、石化、軍工等行業，是進行大批量、高精度模鍛件生產的首選設備[1-2]，可以完成鐓粗、預鍛、終鍛、切邊、沖孔等工序。隨著生產規模和科學技術的發展，鍛造行業自動化生產線也有了快速發展。本系統是以揚力公司HFP-2500熱模鍛壓力機為主體開發的一條全自動鍛造生產線。通過該生產線的總體布局，開展有機械手（韓國東山伺服式）、自動送料裝置、自動模具冷卻潤滑裝置、自動快速換模系統等組成模塊的設計，實現了多工位自動化鍛造。該生產線自動化程度高，能夠顯著提高產品精度和質量，降低生產成本，改善了生產環境和勞動條件。

1 工藝流程及生產線構成

軸承精密熱模鍛生產工藝有：坯料加料、鍛件分選、精鍛、切邊。坯料為圓鋼經鋸床按工藝尺寸下料后，經拋丸去除表面氧化皮后的圓棒料。熱軋棒料表面或內部可能存在折疊、裂紋等缺陷，可以將在下料工序前對線材進行表層渦流探傷和內部超聲波探傷，在缺陷部位做標記，并在隨后下料時進行篩選，預防坯料造成的鍛件缺陷。部分精密鍛件要求預先進行去除表層氧化層等操作。由上料機械手按生產預定節拍將坯料送入中頻電源的感應線圈導軌中，后序坯料推動前面坯料向爐口移動，坯料加熱到鍛造溫度時從爐口落入引導槽，熱料由引導裝置送入鍛件分選機構。紅外測溫儀設在引導裝置處，由PLC模擬量模塊根據實測溫度控制分選機構提料汽缸動作，具有合格溫度的坯料由第一個鍛造機械手送入熱模鍛壓力機精鍛成形[3]。坯料加熱可以選用高端品牌的中頻感應加熱爐，并集成自動上料裝置、自動喂料裝置、快速出料裝置、防粘連裝置，并集成在線式溫度檢測裝置和閉環溫度控制系統，以提高加熱溫度的均勻一致性和穩定性（出口溫度波動不超過± 30℃），并對坯料加熱溫度進行三分選，對溫度過高或過低的棒料進行三段式篩選處理，加熱溫度合格的棒料才可以進入鍛造區域，對溫度過高的坯料進行報廢處理，防止過熱或過燒的坯料進入生產線。其生產工藝流程圖如圖1所示。

圖1 熱模鍛壓力機生產工藝流程圖

生產線主要設備為：上料機械手、橫桿式專用鍛造機械手，引導傳輸裝置，鍛件分選機構，熱模鍛快速換模裝置。熱模鍛壓力機生產效率高、操作簡單、維修方便、適合自動化鍛造流水線[4]。

熱模鍛壓力機具有顯著優點：打擊速度快，模具熱接觸時間短，模具使用壽命長；采用上、下頂料設計，拔模斜度減小，節約鍛材；抗傾斜率高，導軌精度高，鍛件質量好[5]；采用PLC控制、多重安全操作回路系統，確保操作者安全；機體左右兩側設有作業窗口，鍛件傳遞方便，也便于側向送料實現自動化[6]；特殊的卡模解放裝置，使解模迅速，且操作簡單；可靠的集中潤滑系統和手動補充潤滑系統，有效降低磨擦損失；安裝有國際先進的噸位儀，直觀顯示鍛造力，可超負荷報警。如圖2為典型的2500t熱模鍛壓力機全自動生產線主體，從左往右分別為：中頻加熱爐（自動上料，溫度三分選），全自動鍛造中心，輸送帶，余熱淬火油池（鍛后熱處理可根據實際技術需要靈活調整）等。

圖2 熱模鍛壓力機全自動生產線布置圖

2 控制系統硬件電路配置

模鍛壓力機采用一級傳動系統，主電機帶動飛輪運轉，飛輪與壓力機偏心軸通過離合器進行扭矩傳遞，壓力機偏心軸轉速與飛輪同速，相對一般壓力機較快，飛輪在下死點轉差率相對較高，且工作模式一般采用一行程模式，即在實際工作中頻繁制動，這就要求變頻器頻繁制動，會導致母線電壓值升高，引起變頻器報警。

熱模鍛壓力機主要用于工件的熱成形，對壓力機下死點精度要求相對較高，而一般封高顯示器顯示精度為0.1mm，不能滿足熱模鍛壓力機對工件成形精度的要求。

熱模鍛壓力機檢測、監控點較多，需要的PLC輸入輸出點相對較多，如果將所有輸入輸出信號線直接連接到PLC本地單元，會導致配線非常繁瑣，而且會帶來干擾、線路穩定性等一系列問題。所以中央控制系統采用CC-Link總線與現場設備通訊，實時快捷方便。

控制系統采用按鈕站手動、上位機點動操作和集中自動控制三種方法。控制系統硬件包括：電源模塊（Q61P）、CPU模塊（Q03UDECPU）、輸入模塊（QX42）、輸出模塊（QY42P）、CClink模塊（QJ61BT11N）、Modbus模塊（QJ71MB91）和接線端子（A6TBXY36）。圖3為控制系統電路框架圖。

遠程I/O模塊、模擬量模塊、遠程溫度模塊通過CClink專用電纜與CClink模塊進行通訊連接，壓力機控制所需的所有輸入信號、輸出信號直接連接在遠程I/O模塊上，氣壓模擬量信號直接連接在模擬量模塊上，溫度傳感器信號直接連接在遠程溫度模塊上。所有從PLC本地單元到壓力機控制臺部分信號線，由一根CClink專用電纜形成工業現場總線，而且因CClink專用電纜采用高速雙絞屏蔽等特殊處理，其抗干擾能力大大提高。

圖3 控制系統電路框架圖

3 自動快速換模系統

現有大噸位熱模鍛壓力機更換模架、模具過程費工、費時、費力，而且存在一定危險性，所以配套一種熱模鍛快速換模裝置十分迫切，而且能夠提高生產率。在熱模鍛工藝中實現生產過程自動化控制，將現代化控制手段用于傳統產業技術改造，以促進工程技術進步，提高機械生產領域的自動化水平。快速換模系統主要包括移動小車、左模架庫、右模架庫、換模平臺和操作臺[7]。

移動平臺可以將模架整體運送到壓力機后側，再由移動推拉電機牽引模架到限位位置，當檢測到限位開關信號，移動推拉電機停止。移動小車限位柱升起，防止模架滑動。再由行走電機驅動移動小車到換模平臺下，換模平臺上的滑塊提升上模架到上限位開關信號時會停止。當上模架抬起到上限位后，換模平臺上的限位柱鎖定滑塊，防止滑塊緩慢下降。

人工可伸縮的換模手臂伸出更換多個工位模具。換模手臂上升、下降由液壓站電磁閥通電驅動。更換完模具后，上模架再下降，松開鎖緊T形螺栓。模具更換完畢后，滑塊再提升到初始位置，由限位柱鎖定，接著由左模架庫上的大減速比的電機帶動鏈條上的鉤子，鉤住牽引裝置，拉住模架在平行的軌道上滑行，回到左模架庫，到左模架庫限位位置時停止。左模架上由氣動閥控制的氣動限位柱升起，鎖定模架模具，防止模架模具滑動。

4 系統程序設計

整個電氣控制系統技術先進，性能可靠，功能完善，抗干擾能力強。對設備的重要執行元件（如離合器、制動器）控制信號進行反饋監控，可避免誤動作。制動器、頂料高保及其他重要執行元件的信號檢測采用兩個接近開關，以提高動作的可靠性。曲軸轉角監測同時采用穩定可靠的機械凸輪和光電編碼器。曲軸轉角進行數字顯示。系統主要參數隨時顯示（如溫度、壓力、打件計數）、打印、修改（如潤滑次數）。系統軟件主要由自檢程序和應用控制程序組成。系統運行狀態通過人機界面（觸摸屏）一目了然，諸多參數可通過觸摸屏修改，方便實用。

滑塊上的位移傳感器安裝在封高調節桿上，其信號線接入封高顯示器，當封高電機上下運行時，通過傳動機構，位移傳感器將封高調節機構上下位移量信號提供給封高顯示器，并通過專用電纜與Modbus模塊進行串行通訊連接，位移傳感器采用10kHz正弦波輸入信號，其測量精度為0.001mm，控制精度（解析度）為0.01mm。通過Modbus通訊設定和相關設置，在觸摸屏中顯示出當前模高值，其精度為0.01mm。現場沖壓的汽車內外輪轂軸承金屬填充良好，材料變形阻力小，溫度及變形均勻[8]。經過數控加工中心加工后的汽車輪轂軸承實物圖如圖4所示。

圖4 汽車輪轂軸承實物圖

5 結束語

隨著汽車工業在我國的迅猛發展，汽車類鍛件的需求不斷擴大，為此，開發了HFP熱模鍛壓力機系列產品。本文設計開發了一條HFP2500t熱模鍛壓力機汽車軸承全自動沖壓生產線，鍛件批量大，產品要求較高。部分零件形狀較規則，重量和體積較小，特別適合采用熱模鍛壓力機并配備步進式機械手進行多工位自動化生產。乘用車常見鍛件采用多工位自動化鍛造工藝，可有效節約企業成本，提升核心競爭力，大幅降低上游企業的采購成本、機加工成本等綜合運營成本，提高供貨可靠性、產品一致性及產品綜合質量，具有可觀的經濟效益和社會效益。

[1] 趙旭輝.熱模鍛壓力機的應用現狀分析[J].金屬加工，2014，（5）：53-54.

[2]朱元勝，欒新民.常用模鍛設備的結構性能特點及應用發展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（5）.

[3]劉繼修.基于ProfiBus現場總線的傘齒輪精密熱模鍛生產線控制系統[J].電力電子技術，2004，16.

[4]劉宗江，蔣洪海，張國強.45°剖分連桿體毛坯在熱模鍛生產線上的鍛造工藝[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.

[5]陸愛國，朱新武，孫成建.10000kN熱模鍛壓力機有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（6）.

[6]楊 健，朱瑞祥.基于單片機齒輪熱模鍛機械手控制系統設計[J].機械設計與制造，2012，（7）.

[7]石小榮.多工位齒輪熱模鍛自動化鍛造線[J].金屬加工，2013，（9）.

[8]李振紅，黃英娜，孔凡新.輪轂軸承外圈亞熱閉式精鍛成形技術研究[J].軸承，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

湯世松（1985-），男，碩士，工程師，從事交流伺服技術、機電一體化等設計研究。E-mail:tangshisong26@163.com