壓力機(jī)自動送料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計及PLC控制

石 軍，代璐蔚，洪 標(biāo)，宋 霞，徐艷如，孫開成

(重慶理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院； b.材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

壓力機(jī)自動送料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計及PLC控制

石 軍a，代璐蔚b，洪 標(biāo)b，宋 霞b，徐艷如b，孫開成b

(重慶理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院； b.材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054)

針對國內(nèi)某沖壓廠現(xiàn)有人工生產(chǎn)線進(jìn)行改造，結(jié)合實際需求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一套自動送料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案和液壓回路的設(shè)計，并且采用PLC控制液壓來驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。

自動化生產(chǎn)；沖壓；自動翻轉(zhuǎn)；液壓；PLC

隨著工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展與提高，以及勞動力成本的逐年增長，工業(yè)自動化成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

國內(nèi)某廠對現(xiàn)有沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，實現(xiàn)自動送料。目前，該沖床的翻轉(zhuǎn)送料、下料、操作沖床、負(fù)責(zé)涂油以及清理廢料需要大約7個人來操作。進(jìn)行技術(shù)改造后，只需要1名工人來操作所有設(shè)備，自動化程度高，工人勞動條件改善，企業(yè)成本降低。

本文的主要任務(wù)是完成5 000 t沖壓機(jī)自動送料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及完整的機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)液壓回路和PLC的設(shè)計。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的組成

本次設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括以下幾個部分：傳送裝置、擋板定位裝置、翻轉(zhuǎn)機(jī)液壓缸、翻轉(zhuǎn)架、夾緊裝置、液壓系統(tǒng)。

總體布局：包含滾筒組的安排布局、翻轉(zhuǎn)機(jī)的位置以及傳動機(jī)構(gòu)的位置安排。

動力與傳動系統(tǒng)：主要有驅(qū)動滾筒的電機(jī)和驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機(jī)的液壓缸，以及齒輪齒條。設(shè)計方案如圖1所示。

1.翻轉(zhuǎn)液壓缸1234; 2.滾筒輸送架; 3.滾筒; 4.傳感器1; 5.擋板升降液壓缸6; 6.傳感器2; 7.傳感器9; 8.傳感器6; 9.傳感器5; 10.夾緊液壓缸7; 11.傳感器3; 12.左側(cè)翻轉(zhuǎn)架; 13.右側(cè)翻轉(zhuǎn)架; 14.升降滾筒; 15.傳感器4; 16.滾筒升降液壓缸8; 17.驅(qū)動齒條液壓缸5

圖1 總體布局方案圖

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理

設(shè)計一個5000 t沖壓機(jī)自動送料機(jī)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(180°翻轉(zhuǎn))。原材料為:鋼材材質(zhì)的板材，厚度 6～10 mm，長度最短1 m多，最長10 m多，寬度為400 mm，寬度最大變化為50 mm，質(zhì)量為1 200 kg左右，采用液壓系統(tǒng)執(zhí)行。 設(shè)定翻轉(zhuǎn)工件的最大尺寸為10 500 mm×400 mm×10 mm(長×寬×高)。

以擋板在水平方向上有50 mm的可調(diào)節(jié)空間，2個翻轉(zhuǎn)架下方的滾筒分別由4個(一共8個)液壓缸來驅(qū)動其上升和下降，翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)架回位[1-2]。

送料過程中由12個液壓缸驅(qū)動擋板上升或者下降來翻轉(zhuǎn)工件，機(jī)構(gòu)由液壓、機(jī)械、電控3個部分共同組成。如圖1所示，工件采用滾筒輸送，滾筒由電動機(jī)和鏈傳動來驅(qū)動。電機(jī)帶動滾輪傳送工件，當(dāng)傳感器1有信號時液壓缸6(擋板)升起，將工件擋住準(zhǔn)備送入翻轉(zhuǎn)架；傳感器2、4同時有信號且傳感器3、9沒有信號時，液壓缸6(擋板)下降，工件被傳送至翻轉(zhuǎn)架上方；傳感器3有信號時，工件到位，翻轉(zhuǎn)架下方滾筒停止轉(zhuǎn)動并且由液壓缸8驅(qū)動向下運(yùn)動使工件落在翻轉(zhuǎn)架上；液壓缸5驅(qū)動齒輪齒條將右側(cè)翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，壓在工件上方，并且液壓缸與齒條之間是活動連接；傳感器5有信號時，右側(cè)翻轉(zhuǎn)架到位，液壓缸5自己退回原位；當(dāng)工件在主動翻轉(zhuǎn)架和從動翻轉(zhuǎn)架中間時，16個液壓缸7將右側(cè)翻轉(zhuǎn)架壓緊，使工件夾緊。傳感器6有信號時，工件夾緊。翻轉(zhuǎn)液壓缸1、2、3、4驅(qū)動2個翻轉(zhuǎn)架夾著工件進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)；傳感器7有信號時，液壓缸2、4到達(dá)死點(diǎn)位置，進(jìn)行換向；傳感器4有信號時，翻轉(zhuǎn)到位，壓緊液壓缸7松開壓緊的翻轉(zhuǎn)架和工件；液壓缸1、2、3、4驅(qū)動左側(cè)擋住，由于工件形狀不一，所架下方滾筒再次轉(zhuǎn)動并且由液壓缸8驅(qū)動向上運(yùn)動將工件頂起并將其傳送出翻轉(zhuǎn)架；傳感器2、4同時有信號，翻轉(zhuǎn)架回位，可以進(jìn)行下一循環(huán)。整個過程由傳感器和PLC對其進(jìn)行控制，使其平穩(wěn)按序執(zhí)行[3]。

1.3 機(jī)械部分的選型與計算

1.3.1 滾筒的設(shè)計

根據(jù)情況可以選用上海昱音機(jī)械有限公司生產(chǎn)的直徑為50 mm的單鏈輪，滾筒間距65 mm。滾筒用電動機(jī)帶動鏈條來驅(qū)動，電機(jī)選用同一廠商的配套設(shè)備[4]。

1.3.2 轉(zhuǎn)軸的設(shè)計

設(shè)軸的直徑為D=100 mm，軸上所需承受最大力為F=3 kN，所以軸承受的最大扭矩為：

T=F×D/2=150 000 N·mm

設(shè)翻轉(zhuǎn)架需要30s完成180°的翻轉(zhuǎn)，則軸上的轉(zhuǎn)速n=1 r/min。所以軸的功率為：

P=T×n/9 550 000=0.015 7 kW

軸的材料為40Cr，選出A0=112。

則軸的最小徑為：

所以取軸直徑為100mm可以滿足要求。再進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核，滿足強(qiáng)度要求。

1.3.3 軸承選型

為了使2個翻轉(zhuǎn)架可以在旋轉(zhuǎn)軸上自由翻轉(zhuǎn)，并且盡可能地減小直徑，所以選用厚度不大的英國GGB金屬復(fù)合軸承DTS10(其為滑動軸承)。

1.3.4 齒輪選型

根據(jù)需求選用武漢市思維克科技有限公司模數(shù)為6的直齒齒輪，型號為SG15-M6-25-75-2，JIS2級精度。

1.3.5 齒條選型

齒條也選用同一公司生產(chǎn)的SSFH-G齒條，JIS5級精度，型號為SSFH1.5-05G。實際需要齒條長度大約 200mm，因為只需旋轉(zhuǎn)180°，所以只需要行走半個齒輪周長的距離。并且還要注意齒條在向右移動時防止與右側(cè)滾筒發(fā)生碰撞[4-5]。

2 系統(tǒng)液壓回路設(shè)計

2.1 液壓回路設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，需要用液壓缸的地方有：擋板的升降、工件的夾緊、右側(cè)翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)動、左側(cè)翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)、滾筒的升降。

如圖2和圖3所示，其中擋板的升降由于工件長度不一，所以需要12個液壓缸來帶動12個擋板；為了保證工件不會滑動,工件的夾緊要在翻轉(zhuǎn)架的3個邊上進(jìn)行，所以需要16個液壓缸；右側(cè)翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)動由齒輪驅(qū)動齒條轉(zhuǎn)動，所以只需要1個液壓缸驅(qū)動齒條即可；左側(cè)翻轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)需要2對(4個)液壓缸，兩兩同步運(yùn)行；滾筒的升降需要8個液壓缸，每4個一組安放在滾筒支架的4個角。

圖2 液壓回路

翻轉(zhuǎn)液壓缸需要兩兩保持同步，滾筒升降每4個一組也需要保持同步，由于允許有一定的誤差，所以選用分流集流閥來保證這幾個液壓缸能夠同步動作[6]。夾緊缸用節(jié)流閥調(diào)速，壓力繼電器來檢測壓力，從而保證夾緊壓力。擋板升降液壓缸用節(jié)流閥來調(diào)速[7]。

圖3 液壓缸動作循環(huán)圖

2.2 液壓缸選型計算

2.2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)液壓缸設(shè)計選型

工件的翻轉(zhuǎn)由2組液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)來執(zhí)行，每組液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)包含2個液壓缸，機(jī)械臂受液壓驅(qū)動從而帶動工件完成180°圓周式的旋轉(zhuǎn)。設(shè)定每個液壓缸所需承受的最大載荷為3kN。

1) 液壓缸的工作壓力

設(shè)定每個液壓缸所受的最大載荷為3kN，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓缸最大行程h=0.8 m，液壓缸運(yùn)行速度v=0.1 m/s，液壓缸的機(jī)械效率η=0.90，則液壓缸的工作壓力[8]可以取P=1 MPa。

2) 缸筒的設(shè)計

(1)

式中：Fmax=3 000;P=1 MPa;η=0.90。 通過式(1)可以得出液壓缸內(nèi)徑D=0.066 839 m，取D=80 mm。

3) 缸筒的壁厚和外徑設(shè)計

液壓缸內(nèi)徑取80 mm。經(jīng)查液壓設(shè)計手冊可得液壓缸的外徑為95 mm，缸壁的厚度為8 mm。

4) 活塞桿直徑設(shè)計

當(dāng)活塞桿所受壓力P=1 MPa時，則d=0.5～0.55D，計算得：d=0.033 4 m，可以取活塞桿直徑d=36 mm。按照強(qiáng)度和抗彎性條件進(jìn)行校核，符合要求。

當(dāng)液壓缸到達(dá)死點(diǎn)位置時為液壓缸最大行程位置，行程大約為850 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)選用HSGK01-80/dE型號液壓缸，采用耳環(huán)連接方式。速度比為2，其桿徑為55 mm，外徑為102 mm，最大行程為950 mm。

2.2.2 其他液壓缸的選型

同理，驅(qū)動右側(cè)翻轉(zhuǎn)架的液壓缸5可以選用驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相同的液壓缸，行程為200 mm，采用端部法蘭連接。

滾筒升降液壓缸4個為一組，一共2組，每組分別需要將3個滾筒、支架和1個電機(jī)升起和下降。設(shè)定整個滾筒質(zhì)量為100 kg，則每個液壓缸能夠承受25 kg即可使用。因此選用臺灣鉦通工業(yè)股份有限公司MDV250A-TB型號的高壓頂缸可以滿足要求[9]。

擋板升降液壓缸只需將擋板升起和下降即可，并無很大負(fù)載。為了方便，可以直接選用滾筒升降液壓缸所用的MDV250A-TB液壓缸。

夾緊液壓缸被固定安裝在左側(cè)翻轉(zhuǎn)架上，當(dāng)右側(cè)翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)過來壓在左側(cè)工件之上時，夾緊液壓缸將其壓緊夾住工件。為了使右側(cè)翻轉(zhuǎn)架能夠順利翻轉(zhuǎn)到左側(cè)，夾緊液壓缸選用轉(zhuǎn)角液壓缸，其可以先進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)，然后再向下壓緊。夾緊液壓缸一共有16個，所以平均每個液壓缸要施加312.5 N的力。每個液壓缸與翻轉(zhuǎn)架的接觸面積為2 cm2，則每個液壓缸應(yīng)達(dá)到1.562 5 MPa。根據(jù)需求選用臺灣鉦通工業(yè)股份有限公司PHV/W350型號的低壓轉(zhuǎn)角缸可以滿足要求。

2.3 液壓泵選型

1) 確定液壓泵的最大工作壓力

Pp≥p1+∑Δp

(2)

式中：Pp為液壓缸最大工作壓力，取30 MPa；∑Δp為從液壓泵出口到液壓缸入口的管路流量損失，取0.3 MPa。則液壓泵的最大工作壓力Pmax=30.3 MPa。

2) 確定液壓泵的流量

Qp≥K(∑Qmax)

(3)

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取1.2；∑Qmax為同時工作的液壓缸總流量，取80 L/min。則液壓泵的流量Qp=96 min。

根據(jù)壓力和流量選用CY14-1B型液壓泵，此液壓泵采用優(yōu)盤和剛體旋轉(zhuǎn)的軸向柱塞泵[10]。因為滑靴和變量頭之間、配油盤和缸體之間使用了壓力平衡機(jī)構(gòu)[11]，因此與其他類型一般的液壓泵相比具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高等優(yōu)勢。

2.4 泵站電機(jī)選型

2.5 閥的選型

根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量，選用福州瑞森電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Z2FS16-3XS2雙單向節(jié)流閥，廊坊市邁創(chuàng)液壓設(shè)備有限公司的迪普馬高低溫MRQA溢流閥，德州力拓液壓機(jī)具廠的三維四通換向閥，廈門市福廈美科閥門有限公司生產(chǎn)的FJL-B20H-S分流集流閥[12-14]。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本控制系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能是，在PLC接收到傳感器信號和開關(guān)信號后通過控制電磁閥和繼電器來控制液壓缸和電機(jī)，從而讓工件翻轉(zhuǎn)能夠全自動完成，并且在停止后如果設(shè)備不在原位可以進(jìn)行手動回位操作。

3.2PLC選型

為了選擇合適的PLC，應(yīng)先確定輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)個數(shù)，所選的PLC輸入輸出點(diǎn)應(yīng)大于所需個數(shù)。

PLC輸入點(diǎn)包括：9個傳感器信號和泵站電機(jī)啟動，系統(tǒng)啟動、停止按鈕以及4個手動按鈕共7個開關(guān)量信號，一共16個輸入點(diǎn)，全為數(shù)字信號[3]。

PLC輸出點(diǎn)包括：14個電磁閥和1個泵站電機(jī)交流接觸器，以及5個滾動電機(jī)的交流接觸器，一共20個輸出點(diǎn)，全為數(shù)字信號。

本設(shè)計選用西門子的PLC，查閱選型手冊后選定西門子S7-300型PLC。西門子S7-300型PLC最大的特點(diǎn)是模塊化，用戶可以根據(jù)需求先選擇CPU型號，然后再根據(jù)輸入輸出點(diǎn)個數(shù)、輸入輸出信號模式來選擇輸入輸出模塊。

根據(jù)16個輸入點(diǎn)和20個輸出點(diǎn)選定西門子S7-300型PLC的CPU型號為CPU313C-2PtP的緊湊型PLC，其輸入輸出點(diǎn)個數(shù)均為16個。輸入點(diǎn)個數(shù)剛好滿足要求，而輸出點(diǎn)個數(shù)不足，于是需要再添加一個輸出點(diǎn)模塊。選用SM322輸出點(diǎn)模塊，其包含4個數(shù)字信號輸出點(diǎn)，與PLC輸出點(diǎn)加在一起一共是20個輸出點(diǎn)，滿足所用需求。

西門子S7-300型PLC為模塊化的PLC，除了選擇CPU和輸出點(diǎn)模塊外，還需選擇一個電源模塊，這里選擇PS307 2A_1電源模塊，其輸入電壓為120/230VAC，輸出電壓為DC24V，輸出電流為2A，能滿足設(shè)備要求。

3.3 傳感器選型

傳感器2、4是檢測2個翻轉(zhuǎn)架是否在原位上，并且原位位置固定，所以直接用接近開關(guān)傳感器即可。傳感器7、8是為了檢測液壓缸在翻轉(zhuǎn)時是否到達(dá)死點(diǎn)位置，檢測位置固定，也選用接近開關(guān)，選用MISUMI的EM3-12S屏蔽2線式接近開關(guān)。

傳感器1是用來檢測上方是否有工件，防止工件與傳感器間距離過大，所以選用紅外傳感器。傳感器3、9是檢測是否有工件，由于工件長度很長而且有形狀變化，所以也選用紅外傳感器,選用博得bode方形紅外傳感器。

3.4 壓力繼電器選型

為了保證夾緊缸能夠達(dá)到設(shè)定夾緊力后再翻轉(zhuǎn)，需要對夾緊力進(jìn)行檢測，選用臺灣TWOWAY臺肯壓力繼電器。

3.5PLC電器原理

圖4中，PLC分別擁有16個DI/DO接口，其輸入接口與傳感器以及開關(guān)相連，其輸出接口與中間繼電器KA相接，輸入輸出口接線均使用PLC自帶的內(nèi)置電源。其中輸入端的1L+接口為公共端，且為24V直流電源正極，接線從此接出將9個傳感器并聯(lián)之后與7個開關(guān)相接，最后接回1M端口。輸出口與輸入接口供電有所區(qū)別，輸出端的2L+與3L+為電源正極，但不是公共端，而2M與3M為電源負(fù)極并且為公共端。接線從2個正極接出分別接8個中間繼電器后再接回PLC的16個輸出接口，電流先經(jīng)過中間繼電器后流回輸出端[3]。

圖5為5個中間繼電器與5個電動機(jī)的交流繼電器接線，其接線電為220V交流電。

圖6為14個中間繼電器與三位四通上14個電磁閥的接線，其接線電為24V直流電。

圖4 PLC電器原理圖

圖5 中間繼電器與繼電器開關(guān)

3.6PLC程序設(shè)計

程序流程如圖7所示。本程序所要實現(xiàn)的主要功能是讓工件翻轉(zhuǎn)自動完成，且在停止后可以手動回位。自動控制通過傳感器信號以及開關(guān)信號輸入PLC[3]，然后通過控制電磁閥來控制液壓缸，以及通過控制交流繼電器來控制電動機(jī)。

圖7 程序流程

4 結(jié)束語

該自動化生產(chǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)克服了人工操作的缺點(diǎn)，具有操作簡單、工作可靠、工作效率高的特點(diǎn)，并且自動化生產(chǎn)大大降低了勞動成本，提高了產(chǎn)量和收入。

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(責(zé)任編輯 林 芳)

Design and PLC Control of Automatic Feeding and Turning Mechanism of Press

SHI Juna, DAI Luweib, HONG Biaob, SONG Xiab, XU Yanrub, SUN Kaichengb

(a.College of Mechanical Engineering; b.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

According to the existing production line of a stamping plant in our country, this paper, introduced an automatic feeding flip mechanism program and hydraulic circuit design combined with the actual demand and design standards, and PLC is used to control the hydraulic pressure to drive the mechanical structure of flip.

automated production；punching press；auto flip；hydraulic pressure；PLC

2017-03-09 基金項目：企業(yè)橫向課題(2016Q145)

石軍(1969—),男,重慶人,高級工程師,主要從事自動化控制及機(jī)電一體化方面的研究，E-mail：shijun@cqut.edu.cn。

石軍，代璐蔚，洪標(biāo)，等.壓力機(jī)自動送料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計及PLC控制[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(8):57-64.

format：SHI Jun, DAI Luwei, HONG Biao,et al.Design and PLC Control of Automatic Feeding and Turning Mechanism of Press[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):57-64.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.009

TH137

A

1674-8425(2017)08-0057-08