基于PLC控制的自動下料清洗裝置設計*

劉靜香,陳華紅

(1.河南工學院 機械工程學院,河南 新鄉 453003;2.新鄉市皓良機械設備有限公司,河南 新鄉 453000)

0 引言

零件在加工過程中表面會殘留切削油、切屑顆粒、材料殘渣及冷卻液等,所以在裝配前需要對零件進行清洗。傳統清洗裝置采用人工下料方式,生產效率較低。

目前,國內許多中小型企業為節約生產成本,提高市場競爭力,對車間內現有的生產設備進行升級改造,特別是將一些普通的生產設備改造成為簡易的具有部分自動化裝置的設備,如自動下料裝置就被廣泛應用于各個生產領域,大大提高了生產效率。本文以QX-40A型清洗機下料裝置的自動化改造為例進行具體分析。

1 自動下料清洗裝置結構設計

傳統清洗裝置的結構如圖1所示。該清洗裝置的工作過程為:工人將所要清洗的工件放在夾具4上,然后將小車3向清洗裝置里推進,直到工件5處于噴淋頭6正下方,然后固定小車,開啟噴淋頭6進行清洗工作;清洗完成后,拉出小車3,將工件取出。這種清洗裝置的下料完全靠人工操作完成,工人勞動強度大,而且手接觸工件后會產生二次污染,導致產品質量下降,因此需要對清洗裝置進行自動化改造。

1.清洗裝置外殼 2.小車軌道 3.小車 4.夾具 5.工件 6.噴淋頭圖1 清洗裝置結構示意圖

根據生產需求,在不改變清洗裝置基本結構的基礎上,采用機械手實現清洗裝置的自動下料,其結構示意圖如圖2所示。該機械手主要由氣動手指1、氣動手指缸2、旋轉架3、U型架4、轉角氣缸5、升降氣缸6等組成,通過機械手的水平、豎直、旋轉運動和抓放動作,完成工件在清洗區和成品區2個工位之間的移動。水平運動采用“滾珠絲杠螺母副”實現,伺服電機與滾珠絲杠通過聯軸器連接,驅動滾珠絲杠8旋轉,帶動螺母7移動,從而實現機械手的水平運動;升降氣缸6帶動活塞桿上下移動,活塞桿與U形架4固結在一起,從而實現機械手的豎直運動;U形架4、轉角氣缸5和旋轉架3通過轉動副連接在一起,構成曲柄搖塊機構,實現機械手的旋轉運動;氣動手指1是機械手的末端執行器,依靠氣動手指缸2驅動,將動力傳遞給氣動手指,實現工件的抓放。

1.氣動手指 2.氣動手指缸 3.旋轉架 4.U形架 5.轉角氣缸 6.升降氣缸 7.螺母 8.絲杠 9.左安裝板 10.接近開關 11.右安裝板圖2 自動下料裝置結構示意圖

2 氣動系統設計

在氣動系統中,氣動執行元件運動速度快、工作壓力低、結構簡單、制造加工容易、維護方便,且輸出力的大小和運動的速度容易調節。所以氣動系統常和連桿、凸輪、齒輪、螺旋傳動等各類機構巧妙組合,達到控制這些機構的目的。

為準確控制下料節拍,自動下料裝置除了機械手的水平運動采用伺服電機驅動外,其余各運動均采用氣動元件作為執行機構,這不僅使控制系統簡單,還可以更精確地控制下料的各個運動環節。

圖3 氣動回路

根據清洗裝置下料的工作過程,氣動部分需要完成下列動作:氣動手指1松開與夾緊工件,升降氣缸6豎直運動,轉角氣缸5處于水平與豎直位置。氣動回路如圖3所示,整套裝置采用一個氣源,通過電磁閥控制各氣動元件的動作。不工作時,機械手處于初始位置,如圖4所示,氣動手指缸2打開、升降氣缸6上位、轉角氣缸5水平。工作時,伺服電機驅動滾珠絲杠運動到最右端,升降氣缸6帶動轉角氣缸5和氣動手指缸2向下運動到指定位置,氣動手指1夾緊工件,如圖5所示。接著,升降氣缸6上升,提升工件,到達上位后,伺服電機驅動滾珠絲杠向左運動,如圖6所示。然后,轉角氣缸5轉到豎直位置,升降氣缸6下降,氣動手指1松開,工件放入裝料盒相應位置,如圖7所示。最后,升降氣缸6上升,機械手回到初始位置,進入下一個工作循環。

圖4 初始狀態示意圖 圖5 夾緊狀態示意圖

圖6 工作左位示意圖 圖7 放置成品示意圖

3 PLC控制系統硬件設計

PLC是控制系統的核心,它結構簡單、通用性好、抗干擾能力強。在實現對各傳感器信號的采集、判斷后,PLC發出相應的控制指令,完成對各氣缸的實時控制。氣缸動作到位與否是通過磁性限位開關進行判斷的,每個氣缸內都有伸出和縮回兩個動作需要檢測,因此需要在氣缸上安裝2個限位開關。自動下料清洗裝置一共有3個氣缸,因此需要6個輸入點,再加上啟動、停止等開關,一共需要12個輸入點。在輸出端,自動下料清洗裝置3個氣缸的電磁閥、伺服電機、小車、清洗泵等的控制,一共需要7個輸出點。

根據控制系統I/O點數的要求,QX-40A型清洗機的下料裝置選用了三菱Fx1N-40MT型PLC。該PLC共有24個輸入點、16個輸出點、8000個數據寄存器、256個計數器和256個定時器,能滿足自動下料清洗裝置的控制要求。其I/O分配表如表1所示。

根據自動下料清洗裝置的運動要求,結合I/O點數分配,整個控制系統的PLC外部接線圖如圖8所示。

4 PLC控制系統軟件設計

根據控制系統的要求,在系統硬件的基礎上,對自動下料清洗裝置進行軟件程序設計。PLC程序采用順序控制的方式,先確定整個控制系統的流程,然后將復雜的任務或過程分解成若干個工序(狀態),最后確定各工序成立的條件、工序轉移的條件和轉移的方向。這樣編程,簡潔明了,流程更改方便。具體控制系統流程如圖9所示。

根據預先規劃的控制流程以及PLC的輸入、輸出點地址分配,繪制了梯形圖程序,其主程序片段如圖10所示。

表1 PLC控制系統I/O分配表

圖8 PLC外部接線圖

圖9 控制系統流程圖

圖10 PLC主程序片段

5 結語

通過分析清洗裝置工作流程,設計了清洗裝置自動下料機械手、氣動系統及PLC控制系統,提高了清洗裝置的自動化程度和產品質量,減輕了工人的勞動強度。該自動下料裝置具有結構簡單、穩定性好、容易控制和維護等優點,具有良好的市場應用前景。