压铸机取件喷雾一机双臂机械手控制系统的开发

金 宇，张海鸥，王桂兰

（华中科技大学，武汉 430074）

0 引言

压铸，是指将熔融合金在高压、高速条件下填充钢制模具型腔，并使得合金液在压力下凝固而形成铸件的铸造方法。压铸机辅助生产设备，指的是和压铸机配套的能完成自动舀汤、取件、喷雾的辅助机械设备[1]。实现压铸机辅助生产设备自动化和智能化对于稳定铸件质量和降低劳动强度具有重要意义[2]。

国内压铸生产，舀汤、取件、喷雾过程基本有以下三种方式：1）依靠工人手工；2）半自动化，仅舀汤、取件可实现由机械操作，3）三个部分均为机械操作，但是三机分离进行[3]。设备集成度相对较低，需要较大的安装空间，维修拆装困难，没有对模具内温度进行监控。国外目前多将工业机器人引入到压铸生产周边，利用工业机器人进行自动取件和喷雾[4]，灵活小巧，效率高，但是我国企业没有掌握其知识产权，造价成本太高[5]。

因此，本文提出开发一台集成取件与喷雾功能的一机双臂设备的控制系统，并与舀汤机进行联动，由于压铸生产现场环境恶劣，干扰因素较多，且工艺流程较为固定，最终决定以抗干扰能力强的PLC作为控制核心，基于WINVIEW触摸屏开发人机界面，实现自动化运行。

1 一机双臂设备结构及工艺流程

1.1 一机双臂设备结构

一机双臂设备，如图1所示。主要由五部分构成：

图1 一机双臂机械手模型图

1）直角坐标系统，由3-竖滑台，4-喷雾伸缩，模组，6-底座，7-横滑台，8-取件伸缩模组组成。实现取件、喷雾伺服定位和路径规划功能。

2）取件臂转台系统主要由5-取件臂转台与8-取件臂组成。实现旋转放件功能。

3）取件喷雾转向系统主要由2-喷雾手、9-取件手以及两者相应的传动转动系统组成。实现变角度喷雾功能。

4）取件手系统主要由9-取件手内部的机械结构以及相关的气路组成。实现零件的抓取以及变角度取放零件。

5）喷雾系统主要由2-喷雾手内部的机械结构、测温装置、电磁控制装置以及气路水路组成。实现温度监控、传感器保护罩伸缩，喷雾喷气控制等功能。

1.2 一机双臂设备工艺流程

压铸机合模以后，进行压铸合金的浇注、压射、冷却，与此同时，取件机械手将上一次取出的压铸件放置在指定的码垛位置，然后返回到下一次的取件位置进行等待，压铸机开模后，若到达指定的测温次数，对模腔内的指定点进行测温，若没有，则取件手进入到模腔内对压铸零件进行抓取，取件完成后退出模腔，喷雾臂进入到模腔内按照指定的喷雾模式进行喷雾喷气，同时取件臂旋转进行伸缩放件，待喷雾完成后，压铸机合模，至此完成一个周期的动作。

2 控制系统的设计

2.1 系统组成

一机双臂机械手控制系统的硬件组成如图2所示。该系统以欧姆龙CP1H型PLC为控制核心，通过PLC的输出口控制相应驱动单元，输入口接收相应的位置信号。按照工艺流程编写PLC程序，即可实现设备的自动化运行，触摸屏通过RS232与PLC通讯。

图2 一机双臂机械手控制系统硬件组成框图

系统以四台交流伺服电机为基础搭建一个的半开放式的数控系统，在该系统上以示教的方式储存坐标点信息；通过相应的变频器、交流接触器控制五台三相交流电机的运动；通过PLC的数字量输出口控制气动电磁阀的通断；通过PLC的A/D模块[6]采集温度信号；通过输入口接收限位开关的输入信号等。

2.2 输入输出端口规划

对PLC的输入输出端口做出了统计，整个系统一共有点48个输入点信号，55个点输出信号，控制4台伺服电机需要4路高速脉冲输出口，需要A/D与温度传感器进行通讯，需要RS232接口与触摸屏通讯，因此最终选择欧姆CP1H-XA-40DT小型PLC，但是该类型PLC只拥有40个I/O点，需增加I/O扩展单元CP1W-40EDT与CP1W-32ET，增加型号为CP1W-CIF01的RS-232C选件板与触摸屏通讯。

2.3 直角坐标伺服系统

一机双臂的直角坐标系统由四台伺服电机加滚珠丝杠组成。PLC通过位置控制模式“脉冲+方向”方式[6]控制直角坐标系统4台伺服电机，以脉冲量定位，脉冲频率确定电机速度。建立一套简易数字定位系统，定位取件放件位置，规划取件与喷雾的路径。

系统采用绝对坐标系进行定位，4个滑台均设置原点，为准确回零，在零点附近设置一个零点接近点。PLC给伺服电机发出回零信号时，滑台向零点靠近，到达零点接近点位置时，传感器给PLC发出零点接近信号，整个滑台减速低速运动，到达零点时停止。为安全考虑，在滑台的左右两侧设置限位开关，当滑台到达极限位置时，PLC给发出急停信号，滑台停止运动。

2.4 交流电机系统控制方法

PLC通过开关量输出进行多速度段[8]变频调速，通过变频器对取件旋转臂、汤勺、汤勺臂三相交流电机进行调速；PLC分别通过控制两对交流接触器的通断，控制爪手和喷雾手旋转电机的正反转，通过通电时间确定电机的旋转角度。

取件旋转臂的-45°，0°，45°三个旋转角度位置的信号，喷雾手与取件爪手的旋转原点位置信号，通过将凸轮安装在减速器中心轴上，利用行程开关和凸轮配合的方式来标定。

舀汤手臂和舀汤汤勺位置通过分辨率8位256的E6CP-AG5C-C绝对型编码器[9]确定。编码器的8根信号输出线与PLC的信号输入口相连，以2进制形式将位置信息输送给PLC，PLC内部通过格雷码转换将相应的位置信号转换为数字量，并储存在相应的地址内。

2.5 PLC与红外温度传感器通讯

一机双臂运行指定次数后，将进入测温模式，对喷雾加强点的温度值进行采集，监控模腔内部温度。PLC与CLT15型红外温度传感器[10]进行通讯时，传感器将采集到的温度信号通过0~10V标准电压模拟量信号传递给PLC的A/D模块，经PLC内部数据处理转换为相应的数字量温度信号，存入相应的地址，将此温度值与标准温度值进行比较，判断是否超过温度警戒值。

2.6 一机双臂气压液压控制

一机双臂的气压与液压回路一共分为两部分：

1）取件抓手和传感器保护装置气缸气压控制回路。爪手气缸，要完成取件臂抓取放置零件的任务；传感器保护装置气缸，在需要使用红外温度传感器时伸出气缸，不需要时缩回，为使气缸动作准确，在伸缩极限位置均增加磁性开关；

2）喷雾臂喷雾装置液压与气压控制回路。喷雾器共有7对喷头，5对喷头进行喷雾，2对进行喷气。每个喷雾喷头需要先将脱模剂和气体进行混合后喷出，控制上需要对一对喷嘴的电磁阀进行控制；每个喷气喷头需要将气体喷出完成对残渣的扫吹，控制上需要对一对喷气喷嘴的电磁阀进行控制。

通过PLC对相应电磁阀关断状态的确定，控制系统可以完成对每一对喷头喷雾喷气的控制，提高了装置的柔性。

3 系统软件设计

3.1 PLC程序设计

通过CX-Programmer[11]进行PLC程序的编制，程序设计采用的是模块化的编程思想，利用工序步进[6]控制编程思想将整个工作流程划分为不同模块，通过信号的交互在不同的工序模块之间进行跳转。

系统的控制划分为手动操作部分与自动操作部分，在手动操作部分，可以对一机双臂各被控单元进行控制；在自动操作部分，一机双臂可按照工作流程，按指定工序完成舀汤、取件、喷雾动作，图3是一机双臂系统的全自动运行流程图。

图3 全自动运行流程图

3.2 触摸屏界面设计

本设备采用维纶通MT6000i触摸屏与PLC进行通讯。基于EB8000[12]开发软件，建立取件、喷雾、舀汤三级用户界面。可在HMI界面上进行系统参数设定、工作模式设定、手动自动操作切换、监控PLC运行情况，同时在系统遇到故障时，发出报警信息。图4是开发界面结构框图。

图4 触摸屏总体设计方案

在系统参数调整界面上，可对取件、喷雾挡块及原点位置进行设置；在工作参数调整界面上，可对取件、舀汤、取件运行参数进行设置；在全线运行界面，对整个运动流程进行启停操作及运行状态的监控；在错误清除界面，可以清除电机错误。

4 结束语

现场的调试结果表明，压铸机取件喷雾一机双臂机械手能流畅实现取件和喷雾两大功能，并且能够和舀汤机进行信号交互。取件臂可以精确定位抓取及放置零件，实现了零件码垛功能。喷雾臂可选择不同喷雾模式，不同的喷涂模式可设定不同喷涂路径。取件喷雾周期缩短至20秒以内，较现有取件喷雾装置的效率提高了50%。具有较高的精度和柔性，提高了运行效率，降低了劳动强度，具有较高的推广与应用前景。

[1] LK Group·Shanghai Atech Machinery Co. Ltd.. 自动化压铸机与压铸单元[A].中国铸造协会.第七届中国铸造厂长（经理）国际会议论文集[C].中国铸造协会,2006：6.

[2] 王云昭.第三届中国国际压铸会议及展览会综述[J].特种铸造及有色合金,2002,04：37-38.

[3] 李良能.卧式冷室压铸机上自动浇注、取件、喷涂辅机装置的应用[J].装备机械,2002,04：14.

[4] 李义.国外工业机器人在铸造生产中的应用概况[J].现代兵器,1983,09：27-29.

[5] 周志,杨涛.铸造机器人的发展与应用[J].摩托车技术,2014,10：33-36.

[6] CP1H CPU单元操作手册.

[7] ASD-B2系列标准泛用性伺服驱动器应用技术手册.2011.4.

[8] VFD-E使用手册.

[9] E6CP_A编码器说明书.

[10] Optris产品目录.

[11] CX-Programmer用户手册2.0.

[12] EB8000使用手册.