基于PLC的齒輪淬火機床全自動上料機控制系統設計

張 華 楊 川

（重慶機電職業技術學院，重慶 402760）

1 背景介紹

齒輪是汽車重要的傳動部件之一，它具有傳動效率高、傳動比穩定、工作可靠性高等特點。齒輪傳動對輪齒的強度、硬度、耐磨性等工藝要求較高，淬火是齒輪加工過程中必不可少的熱處理工序。齒輪淬火用齒輪淬火機床完成，目前淬火機床由人工上料，勞動強度大，一人操作一臺機床，效率低。人工上料已經制約了企業生產，使企業生產成本上升。

基于上述原因企業提出了需求，設計一臺齒輪淬火機床全自動上料機。能與現有的齒輪淬火機床匹配，取代人工，讓一個人可以操作6至8臺機床，上料機的節拍能夠和齒輪淬火機床節拍匹配（1min加工10個），適應多品種的齒輪生產（直徑60～120mm，厚度10～20mm），最后設備要穩定可靠，便于操作。

本文從企業需求出發設計了齒輪淬火機床全自動上料機。除了能夠應用于齒輪零件，還可用于鏈輪、齒圈等盤類零件。上料機主要由料倉系統、上料機械手兩大部分組成?？刂葡到y主要采用PLC為控制核心，觸摸屏做人機交互的設計。

2 機械系統

上料機主要由料倉系統、上料機械手兩大部分組成，如圖1所示。料倉系統由基座、轉盤、提升滑臺組成。上料機械手由滑臺氣缸、上下料氣缸、手爪氣缸組成，其中轉盤上有8個獨立的料倉，每個料倉放置工件的數量由工件的數量所決定。

圖1 上料機三維實體造型圖

上料機料倉系統轉盤由交流電機帶動凸輪分割器實現轉盤精確定位。提升滑臺由直線導軌和滾珠絲杠構成，由步進電機驅動，準確提升工件到指定位置。上料機械手主要由氣動系統組成，由氣缸驅動，實現齒輪的準確抓取。料倉的高度為450mm，淬火機床加工的齒輪厚度為10mm，料倉可盛放的工件數量為450/10=45，料倉系統總共可以容納的齒輪為45×8=360個。機床加工效率為6個/min，人工一次裝件可自動運行的時間為360/6=60min。

3 工作過程原理

人工將一批齒輪裝入上料機轉盤當中，啟動上料機，上料機自動將轉盤料倉中的齒輪一個一個放入淬火機床中，自動工作過程如圖2所示。

圖2 上料機工作過程圖

4 控制系統硬件設計

4.1 系統組成

為了達到設備的運行穩定性、可靠性、操作便捷等要求，選擇了以PLC為控制核心，使用HMI觸摸屏做人機交互設計來滿足上料機需求。控制系統硬件如圖3所示，主要有HMI人機觸摸屏、PLC、對射傳感器、光纖傳感器、接近開關、磁性開關、按鈕、步進電機、交流電機、指示燈與氣缸電磁閥。

圖3 控制系統硬件組成圖

4.2 PLC選型

根據企業維修人員對PLC的熟悉情況，在滿足設備控制需求的前提下，考慮到穩定性、經濟性、售后服務等因素選用了臺達公司的DVP-ES2系列PLC為控制主機。上料機數字量輸入14個，步進電機脈沖及方向輸出2個，數字量輸出4個。考慮到后續的升級留取了備用口，選擇了臺達公司的DVP24ES200T型號，數字量輸入16個，輸出8個。

4.3 步進電機選型

步進電機主要用于驅動提升滑臺。提升滑臺為垂直安裝，使用滾珠絲杠傳動，絲杠導程為5mm。每組料倉高度容量為450mm，容納最大齒輪的直徑為Φ120mm。料倉最大提升齒輪的總質量約為159kg，齒輪托盤為1kg，提升的最大質量為160kg。伺服電機需要扭矩T=M×g×PB/2π=160kg×9.8m/s2×0.005mm/6.28=1.25N·m（M為提升負載質量，G是重力加速度，PB為滾珠絲杠螺距）?？紤]到啟動加速過程和運動過程的沖擊，將計算力矩提高2倍，即為2.5N·m。步進電機型號確定為57BYG250H。

5 控制軟件設計

上料機控制軟件設計主要有兩部分，一部分是PLC控制程序設計，一部分是HMI觸摸屏人機界面設計。

5.1 PLC程序設計

PLC程序使用臺達配套軟件DELTA WPLSoft編寫，主要由手動控制程序、自動運行程序構成，使用梯形圖和SFC圖結合編寫的方法編寫程序。核心部分自動運行程序流程圖如圖4所示。

圖4 自動運行程序流程圖

5.2 HMI程序設計

HMI選用的是威綸公司的TK6070IH觸摸屏，使用EasyBuilder8000軟件編寫畫面。主要由手動操作畫面、自動控制畫面、I/O查看畫面、報警畫面、幫助畫面等組成，圖5為手動操作畫面，每個畫面由狀態顯示區、按鈕操作區、主控按鈕區、窗口切換區等構成。

圖5 手動操作畫面

6 結語

本文根據企業的實際需求，設計了針對齒輪淬火機床的全自動上料機，能夠與現有的齒輪淬火機床配合，節拍效率能穩定在10件/min，能夠適應多個品種的齒輪、鏈輪等盤類零件，穩定性、可靠性、經濟性都達到企業的要求。

[1]聞邦椿.機械設計手冊單行本：氣壓傳動與控制[M].5版.北京：機械工業出版社，2015.

[2]詹友剛.Pro/ENGINEER野火版5.0機械設計教程[M].北京：機械工業出版社，2015.

[3]趙雷，張華.氣門錐面磨床全自動氣動送料系統設計[J].現代機械，2016，（3）：66-68.

[4]王曉紅，李欣.PLC-變頻器電機控制實驗臺的設計與實驗項目的開發[J].教育教學論壇，2015，（37）：241-242.

[5]謝亞青，儲開芳.基于PLC的五自由度氣動搬運機械手研制[J].液壓與氣動，2007，（11）：23-24.

[6]康獻民，傅衛平.預緊力對滾珠絲杠副摩擦力矩波動的影響分析及試驗[J].機械傳動，2010，34（6）：46-50.

[7]姜鑫.基于PLC的淬火壓床設計與控制[J].機械設計與制造，2016，（8）：197-200.