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感（gǎn）應淬火機床與上下（xià）料機械手控製係統的設計（jì）

2020-6-17 來源：湖北（běi）汽車工業學院電氣與信息工程學院作者：雷鈞羅敏吳嶽敏劉淩雲

摘要: 對汽車轉向節雙工位淬（cuì）火機床與上下料（liào）機械手控製係統進（jìn）行了設計，雙工（gōng）位淬火機床采用2 套西門子 808D 數控（kòng）係統（tǒng），使用新鬆 SＲ120 機械手配合其（qí）進行上下料，提高工作效率。淬（cuì）火機床（chuáng）與上下料機械手信（xìn）號交互通（tōng）過西門子 S7－1200PLC，用 PＲOFINET 總線（xiàn）把它們連（lián）接起來。經現場運行，整個係統工作正常，能夠滿足生產需要。

關（guān）鍵（jiàn）詞: 機械手; 數控係統; 信號交（jiāo）互

隨著汽車行業的發展，淬火機床在（zài）汽車零部件加工中應用（yòng）越來越廣泛。汽車轉向節承受多變的衝擊負載，要求具有高的強度和硬度，因此多采用高頻淬火工藝。機（jī）械手用於單機或自動線上（shàng）傳送工件，可以減輕操（cāo）作工的勞動強度，同時還可以大大（dà）提升生產效率。從文獻［1－3］可以看出，上下（xià）料機械手在機（jī）床上應用廣泛，文獻［1］敘述了西門子數控係統通過 IO 與上下料機械手控製係（xì）統交互信號，文獻［2－3］敘述了使用PLC 直接（jiē）控製（zhì）上下料機械手。

本文以汽車轉向節淬火機床自動上下料為例（lì），使（shǐ）用新鬆 SＲ120 機（jī）械手，設計（jì）淬火機床與上下料機械手（shǒu）控製（zhì）係統。

1 、工作原理與控製流程

如圖 1 所示（shì），轉向節淬火機床由左右兩個工位組成，實現雙工位交替淬火，提升工作效率（lǜ）。淬火部位是轉向節端麵和部分軸頸（jǐng）。每個工位安裝有伺服電動機（jī）、主軸旋轉電動機( 三相異步電動機)

、拖板、絲杠、上（shàng）頂（dǐng）尖（jiān）、下頂尖等。

上下頂尖頂緊轉向節，主軸旋轉電動機通（tōng）過皮帶，帶動下頂尖旋轉從而帶動轉向節旋轉（zhuǎn），以均（jun1）勻淬火。頂尖與拖板固定在一起，伺服電動機通過帶動絲杠來實現拖板上下移動。在人工進行上下料時，需要踩住腳踏板（bǎn）讓上頂尖縮回（huí），然後將轉向節上下錐口對齊到上（shàng）下頂尖，由於轉向節較重，把轉向（xiàng）節和上（shàng）下頂尖對齊需要較多的時間，影響了生（shēng）產（chǎn）節（jiē）拍和（hé）效率。

因此在機床外設有一（yī）台新（xīn）鬆SＲ120 關（guān）節式機械手帶 2 個手爪，實現轉向節（jiē）的自動上（shàng）下料。機械手包括主機（jī）與附件、氣動爪具（jù）。機械手有效範圍不小於 3. 0 m，A 爪用於上料，B 爪用於下料

。機械手的動作（zuò）順序是: 首（shǒu）先光電開關檢測抓料（liào）架上的抓料（liào）位是（shì）否有轉向節。如果（guǒ）有料，機械手移動到抓料位，A 爪夾起轉向節; 沒有料則機械手會在原點等待（dài）。

機（jī）械手夾（jiá）起轉向節後，返回原點。然後（hòu）檢測淬（cuì）火機床兩個工位的安全門是否打開，因為機床加工程（chéng）序中已（yǐ）經設定加工開始（shǐ）前，門需要關閉，加工完成後，門自動打開，以此來判（pàn）斷淬（cuì）火是否完成。等有（yǒu）開門信號時，機械手去相應工位換 B 爪把淬火完的轉向節（jiē）取下來。機（jī）械手退出機床，換 A 爪，把未淬火的轉向節放到淬火工位上，機床上下（xià）頂尖固定轉（zhuǎn）向節。

然後機械手再退出機床到設定點，發上料（liào）完成（chéng）信號，淬火機床（chuáng）數控係統開始啟動轉向節（jiē）淬火（huǒ）程序。機械手繼續移動到放料位，把（bǎ）淬火後的轉向節放下，然後返回到原（yuán）點，等待執行下一個循環。

圖1 雙工位轉向節淬火機床（chuáng）

淬火機床收到機械手的上料（liào）完成信號後，開（kāi）始轉向節淬火，如圖 2 所示（shì），先關閉安全門，保證加工安全。隨後（hòu）主軸（zhóu）電動機通過皮（pí）帶（dài）帶動下頂尖旋轉。下頂尖側麵安裝有撥杆，下頂尖旋轉後撥杆會碰到轉向節的耳朵，帶動轉向節（jiē）旋轉。如果頂尖沒有頂緊轉（zhuǎn）向節，會在機床上料位把轉向節甩下來，避免在淬火的時候甩下來，損壞感應圈。為（wéi）了避免端麵定位時感應圈劃傷轉（zhuǎn）向節端麵，過幾秒後旋轉停止。

本淬火係統隻有一個電源提供（gòng）功率，因此同一時刻隻（zhī）有一個工（gōng）位在進行淬火處理，隻能一個接觸器閉合，接觸器隻（zhī）有等待另外一個接觸器斷開才能閉合（hé）工（gōng）作。端麵定（dìng）位（wèi）啟動後，伺服電動機帶動拖板向上整體移（yí）動，當感應圈旁邊的觸頭與轉（zhuǎn）向節端（duān）麵接觸，伺服電動機就停（tíng）止運（yùn）行並向下後退設定（dìng）行程便於感應加熱。

端麵定位結束後（hòu）轉（zhuǎn）向節再次旋轉，接觸器吸合啟動加熱。當淬火達到工藝要求時停（tíng）止加熱，接觸器（qì）斷開，對淬火工件進行（háng）冷卻，冷（lěng）卻時間（jiān）到後拖板向下移動（dòng）到（dào）下料位，再啟動旋轉定位，方便機械手下料。最後自動打開安全（quán）門。

2 、控製係統設（shè）計

轉向節雙工位淬（cuì）火機床由 2 套西門子 808D 數控係統分別控（kòng）製左右工位，機械手控製係統控製 6 關節機械手的位置，機械手上的氣閥控（kòng）製氣爪夾緊鬆開，氣（qì）閥由西門子 S7－1200PLC 控（kòng）製。機械（xiè）手氣爪張合（hé）信號由磁性（xìng）開（kāi）關檢測，並且輸出開關信（xìn）號給 S7 － 1200。808D 數控係統用的是西門子 S7 － 200 的 PLC，不方便（biàn）與機械手控製係統直接進行信號（hào）交互，因（yīn）此用 S7 －1200 處理數控係統與機（jī）械手控製係（xì）統的交互信號。

圖2 機床淬火加工流程圖

圖3 控製係統（tǒng）結（jié）構圖

圖4 控製係統信號交互圖

如圖 3 所示，控製係統之間（jiān）用 PＲOFINET 總線（xiàn）連接，西門子 XB005 為非網管型交換機。S7－1200 可設置（zhì） IP。數控係（xì）統自帶網卡，可設置 IP。機械手控（kòng）製係統用網關NT 50－DN－EN 把 Device Net 轉為PＲOFINET，可設定（dìng） IP 。

3 、控製係統間信號交互設計

控（kòng）製係統信（xìn）號交互（hù）如圖 4 所示，S7－1200 用 GET指令從（cóng）左右工位數控係統獲（huò）取信號，用 PUT 指令將信號放入相應的數控係（xì）統。機械手控製係統與 S7－1200之間的信號交互直接用 S7－1200

的 Q 地址對應機械手控製係統的 IN 地址，S7－1200 的 I 地址對應機械手控製係統的 OUT 地址。機械手控製係統給（gěi）出的地址可以（yǐ）設定其作用。

表1 是機械手控製係統與 S7－1200PLC 部分交互信號。

表（biǎo） 1 機械手控製係統與 S7－1200 PLC 部分信號交互表

( 1) 信號從機床數控係統到機械（xiè）手控製（zhì）係統以檢測左工位開門為（wéi）例論述信號流向（xiàng）。如圖 5 所示，開門信號 I5. 3 輸入到 808D 數控係統（tǒng）並（bìng）控製數（shù）控係統的（de） M50. 3。

圖5 數控係統開門信號輸出

如圖 6 所示，S7－1200 調（diào）用 GET 指令將數控係統M50. 3 的數據讀取到 S7－1200 的 M50. 3。

圖6 S7-1200讀取數控係統信號

如圖 7 所（suǒ）示，S7－1200 的 M50. 3 控製 Q70. 6。如表 1 所示，S7－1200 的 Q70. 6 和機（jī）械手控（kòng）製係（xì）統的輸入信號 IN#55 是對應的，這樣就把數控係統的機床門檢測信（xìn）號 I5. 3 傳送到機械手控製係統（tǒng） IN#55。

圖（tú）7 S7-1200輸出信號到機（jī）械手控製係（xì）統（tǒng）

( 2) 信號從機械手控製係統傳（chuán）遞到機床數控（kòng）係統以機械（xiè）手退出（chū）機床，啟動淬火機床淬火為（wéi）例論述信號流向。

如表 1 所（suǒ）示，機械手控製係統的 OUT#58對應著（zhe） S7 － 1200 的 I71. 1，如（rú）圖 8 所（suǒ）示，S7 － 1200 的I71. 1 控製輸出 S7－1200 的 M60. 0。

圖8 機械手控製係統輸入信號到S7-1200

如圖 9 所示（shì），S7 －1200 調用 PUT 指令將 PLC 的M60. 0 的數（shù）據寫入左工位（wèi）數控係統的（de） M60. 0 中。數控係統 M60. 0 控製關門並且啟動轉向節淬火（huǒ）程序。

圖9 S7-1200寫入數控係統信號

4 、數控（kòng）係統準停和端麵定位功能設計

如圖 10 所示，由於轉向節特殊的結（jié）構，機械手進行上下料時需要轉向節的雙（shuāng）耳分（fèn）別在下頂尖和撥杆兩側，這樣才不（bú）會磕碰下頂尖和撥杆。在上料時由機械手抓取位置和轉向節放置位置保證上料位置，在下料時轉向節的位置和上料時一（yī）致。

如圖 10 所示，在拖板上固定一個感性接近開關，當撥杆轉過接近開關時，接近（jìn）開關信號輸入到數控係（xì）統輸入口，輸（shū）出給數控係統的 DB2900. DBX0. 1。

圖10 定向停（tíng）程序圖

如圖 10 所示，當加工程序執行旋轉定向停後，M2. 2 接通，當下頂尖（jiān）轉到感（gǎn）應開關位置時，DB2900. DBX0. 1 信號有效，旋（xuán）轉啟動（dòng）信號 M199. 2 複位（wèi），旋轉準確停止。

用機械手進行上料時，為了避免遇到轉向節放在下頂尖，上頂尖對不齊的情況。轉向節先對齊上頂（dǐng）尖，保證其可以頂入上錐口，然後機械手下移把（bǎ）轉向節（jiē）放入下頂尖，上頂尖在氣（qì）缸推動下始終頂緊轉向節（jiē）。淬火機床對轉（zhuǎn）向節淬火時要保證感應線（xiàn）圈和轉向節端麵的相對（duì）位置合（hé）適，因此設計了端麵定位功能。采用端麵（miàn）定位（wèi），每次定位都是相對於轉向節端麵，可以提高定（dìng）位精度，對淬火效果也有利。如圖 11 所示，當（dāng）數控加工程序運行到 M13 時，端麵定位啟動。

圖11 端麵定（dìng）位數（shù）控程序

圖12 端麵定位（wèi）電氣圖

端麵定位啟動後，數控係統輸出接通繼電器 KA11的（de）線圈，如圖 12 所示，KA11 常開觸點接通，定（dìng）位接觸器線圈 KM5 得電，常開（kāi）觸點 KM5 閉合。當伺服電動機帶動（dòng）拖板向上移動時，轉向節端（duān）麵會與開關電源負端（duān）觸點接觸，回路接通，繼電器 KA01 線圈得電。繼電器 KA01 常開觸點閉合，此觸點（diǎn）連接（jiē）數（shù）控係統的 I5. 7。

如圖 13 所示，I5. 7 接通後，輸出給數控係統的DB3200. DBX6. 2，從而數控加工程序的跳轉信號激活，如圖（tú） 11 所示，伺服電動機停止運行，從而拖板停止運行。

然後拖板向下後退設定行程便於感應加熱。

定位完成後（hòu），KA11 斷開。

圖13 端麵定位（wèi）程

圖14 機（jī）械手動作流程圖

5 、機械手控製程序設計

機械手控（kòng）製係統給出了示（shì）教編程（chéng）所需的指令以（yǐ）及輸入輸出地址。通過示教編程控製機械手的動作流程，實現機械手自動上下料（liào）。上料位設置 2 個，下料位設置一個。機械手動作流（liú）程如（rú）圖 14

所示，Lx 是機械手的程序標簽。

6 結語

本文通過分析淬火機床與上下料（liào）機械手的控製（zhì）流程，設計開發了淬火機床與上下料機械手控製係統。通過 S7－1200 溝通（tōng）數控係統與機械手控製係統的交互信（xìn）號，實現兩者的相互配合，機械手自動上下料以及機床自動淬火運行。通過調試及（jí）運行滿足了生產和工藝方麵的要求。

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