气门电镦成型生产线的控制系统设计

李伟光 王 勇

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

1 气门电镦生产线设备组成

气门电镦生产线主要完成气门的电镦和冲压成型这两道工序，现有生产条件是由人工将电镦完毕的气门搬运到摩擦压力机模具内，同时还要完成冲压完毕后气门的夹取和石墨的喷涂，由于人工操作的不稳定性，严重影响气门的质量。针对该生产线自动化改造需求，设计了机器人+机械手控制系统，利用该套控制系统与电镦机、压力机配合使用实现气门电镦、压力成型环节的自动化生产。该设备群由三台电镦机、一台压力机、一台五轴机器人及一台两自由度机械手构成。整套控制系统能实现这六台设备按既定的生产工序精确协调动作。

2 气门电镦生产线工作流程

电镦成型工序机器人+机械手系统与电镦机及摩擦压力机配合，需完成如下动作［1］：①电镦机A对棒料进行电镦，获得气门电镦毛坯(间隔一定时间后，电镦机B、C相继开始对棒料进行电镦，经过同样时间间隔后，电镦机A再次开始进行电镦)；①机器人从电镦机A抓取气门电镦毛坯；③机器人将气门电镦毛坯送摩擦压力机的成型模具上方；④机械手从机器人手中接取气门电镦毛坯，同时机械手对成型模具内腔喷润滑剂；⑤机器人退出摩擦压力机模具上方，回到等待点等待下一只气门电镦完毕；⑥同时，机械手向下运动将气门电镦毛坯送入摩擦压力机的成型模具内，然后退出；⑦摩擦压力机工作，将毛坯冲压成型；⑧机械手将气门从摩擦压力机的成型模具内取出，并放到物料箱；⑨机器人从电墩机B、C夹取过程与A类似。

图1所示工作流程以制造一只气门芯的电镦冲压工艺为依据，所有设备的动作顺序和设备之间的动作协调以及各设备运行的时间限制均以气门芯的生产工艺数据为准。因电墩机B、C工作流程与A类似，故此流程未涉及电镦机B和C。这三台电镦机按A—B—C—A的顺序依次开始电镦，时间间隔相等且最小不能少于机器人完成一次夹取的时间，否则机器人来不及夹取而下一个气门已电镦完毕势必造成时间等待而使气门温度下降，影响气门质量。

3 控制系统方案设计

结合气门电镦成型工序中的设备尺寸、现场布局、控制方式、工作流程等特点，设计了5轴机器人和2自由度机械手的控制系统，其中电镦机完成气门的电镦，压力机完成气门的冲压，机器人负责气门从电镦机到压力机的搬运，机械手负责气门的交接、入模、取放。本文控制系统设计如下［2］，图2所示为气门电镦生产线控制系统框图。

三台电镦机能单台运行，单独运行的电镦机能独立完成一只气门芯的电镦，整个电镦过程自动完成；也可以三台联机运行，严格按先后顺序依次电镦。可以说，电镦机就如同一个黑匣子，它的运行无需人工干预，只需要获取它的传感器信号或用于驱动执行机构的信号即可。

现有的摩擦压力机是手动运行，由工人操作实现冲压、回退及喷涂石墨。因此有必要实现自动化的改造，实现全自动控制。

机器人有5个自由度，能实现大范围的工件夹取。由PC+运动控制卡实现，运动控制卡控制5台伺服驱动器带动伺服电动机。机器人末端有一执行气缸用于抓取气门芯，该执行器采用通用化设计，实现绝大部分气门的夹取。机器人的精确高速运动保证气门搬运的工作节拍。

机械手要实现气门的交接、插入模具、喷涂石墨、取出冲压后的气门、落放气门等操作。控制逻辑简单，用PLC实现起来较方便。用一个升降气缸实现上下运动，用滚珠丝杠和直线导轨实现直线的快速运动，滚珠丝杠由伺服电动机驱动。

4 控制系统的硬件实现

图3给出了整体系统的硬件结构，该系统分为四个子系统，现分述如下：

(1)机器人子系统硬件结构：运动控制卡控制机器人的5个关节处的伺服电动机，电动机选用安川伺服电动机。在上位PC机用VC++编程调用控制卡库函数并执行目标代码，运动控制卡只是负责控制信号输出以及状态和反馈信号的采集，机器人的运动实现了气门芯从电镦机到摩擦压力机的搬运。PC机通过RS232与触摸屏线连接，触摸屏通过RS422线与主站PLC连接，PC与PLC实现串口通信，PC能读PLC的软元件也可以置位某位软元件。PLC要进行逻辑控制，控制电磁阀动作及读取三台电镦机的状态信号。最为重要的是，该PLC还要与机械手子系统的从站PLC进行实时通讯，交换标志位。运用三菱的CC—LINK总线技术，主PLC端加一个16CCL-M模块，从PLC端加一个32CCL模块，用专用电缆连接起来，通讯程序可实现两个PLC的通讯，速度可高达10 Mbps［1］。

(2)机械手子系统硬件结构：机械手子系统以PLC为主控制器，选用晶体管输出型PLC，其中Y0，Y1输出口可以输出指定频率的定量脉冲，即速度可以指定，行程也可指定。高速脉冲输出不受扫描周期影响，进行中断处理，满足实时性需求。最高输出频率可达20 kHz，满足速度的需求［3-4］。电动机选用安川伺服电动机。其次PLC还要控制摩擦压力机的冲压和回退、控制石墨的喷涂、控制气爪的张开和夹紧、采集极限信号做出判断进行处理。

(3)摩擦压力机子系统：摩擦压力机是完成冲压成型的设备，等待机械手PLC发出已将气门芯放入模具的信号后，冲头下行，冲后自动回退。摩擦压力机受控于机械手PLC。

(4)电镦机子系统：电镦机用PLC及触摸屏实现三台电镦机的控制，完善的电控系统能单独或者联机完成电镦全程。电镦过程的工艺参数、时间参数已全部储存于控制系统，可以根据棒料的不同进行选择［5］。由于电镦机的PLC程序不对用户开放，但电镦机的电镦完成信号可以为机器人PLC获取，机器人PLC与PC实时通讯，然后PC发出命令驱动机器人夹取气门芯。从PLC获取电镦完毕信号到机器人夹取到气门芯这个时间很短暂，故要求机器人动作迅速且定位准确。

5 联机调试

利用机器人+机械手系统与多台电镦机压力机动作的协调、参数的设定与控制，实现气门电镦、压力成型环节的自动生产。由于设备多、时序复杂、控制流程易错，因此联机调试非常重要。联机调试过程如下：

(1)设备安装、电气接线

根据电气图进行设备接线，以及各系统之间的电气互联。

(2)编制程序

机器人控制程序主要实现机器人的运行程序、监控程序、示教程序、报警程序等；PC与PLC串口通讯程序实现PC机捕获及置位PLC的标志位；两台PLC之间通过CCLINK总线实现通讯；单个PLC的程序实现各自的逻辑控制。

(3)单机运行

机器人的单机运行包括：通过示教实现点到点的往复运动，机器人的运动速度可以修改，运动路径也能修改；监控程序能实现各电动机状态的监控以及各极限信号的情况；机械手PLC对伺服电动机的控制能实现直线运动，气爪开合，气缸升降，石墨喷涂，以及对摩擦压力机的控制。

(4)联机运行

联机运行是最复杂的，三台电镦机与机器人是并行处理的两个子系统。电镦机电镦过程不受干扰，电镦机A在电镦一只气门芯的周期内，电镦机B和C依次启动电镦；每台电镦机电镦完毕后，机器人前来夹取，至于到底是哪台电镦完毕，机器人会获取该台电镦机的信号进而确定目的地。

(5)极限状况操作

上述步骤只能验证整个系统对常规工作流程的执行，但生产现场往往会出现意想不到的情况。比如伺服轴运动到极限开关以外区域，某一重要传感器信号未能获取，机器人未退出摩擦压力机即开始冲压，程序跑飞，系统死机，突然断电等，这些都会造成严重的事故。对极限情况的有效处理，对故障的周全考虑及其解决就显得非常重要了。

6 结语

经过长期的试运行，各子系统均正常工作，工作协调无误。该气门电镦成型生产线运行稳定，自动化程度高，操作方便，大大提高了效率，减轻了生产现场对劳动力的依赖程度，保证了气门的生产质量。

［1］天津昊鼎精密机械技术有限公司.立式单工位电镦机EVD-1ZD使用说明书［Z］.2006.

［2］罗玮韬.气门电镦成型工序机器人控制系统的研究［D］.广州：华南理工大学，2008.

［3］日本三菱电气公司.FX2N系列可编程控制器使用手册术［Z］.1998.

［4］闫娓，陈忠提，赵安.PLC触摸屏直接控制伺服电机程序设计［J］.机床电气，2009(4).

［5］陈健，张忠夫，孙友松，等.气门电镦机计算机控制系统研制［J］.机床与液压，2004(6).