汽車(chē)定轉(zhuǎn)子沖片沖壓用機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)建

1、汽車(chē)定轉(zhuǎn)子沖片沖壓用機(jī)械手控制系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵詞：定轉(zhuǎn)子沖片; 機(jī)械手; 自動(dòng)送料; 觸摸屏; PLC控制;Abstract：In order to improve the safety factor and working efficiency of stamping production of the stator and rotor punching parts for the motor of the new energy vehicle and reduce the labor intensity and risk, the traditional stamping production

2、 lines of stator and rotor punching parts consisting of several stamping machines were planned, reformed and technically upgraded. Then, the automatic feeding was conducted by robot, and the vacuum sucker was controlled by vacuum generator to suck and discharge the stator and rotor punching parts.Fu

3、rthermore, the automatic and coordinated operation of the whole system controlled by PLC was studied, a fast continuous operation process and intelligent and accurate control of PLC system were designed, and the production process of the relevant action procedures was improved. Finally, the human-co

4、mputer dialogue control was realized by the touch screen, and the production process was monitored in real time so as to make the whole production line more efficient and tidy. Through practice, the optimum technological parameters of each link were explored to realize the aim of high efficiency aut

5、omatic production of stator and rotor punching parts, and the production quality of punching parts was improved and stabilized.Keyword：stator and rotor punching parts; manipulator; automatic feeding; touch screen; PLC control;新能源汽車(chē)定轉(zhuǎn)子沖片的沖壓生產(chǎn)過(guò)程是一項(xiàng)重復(fù)、枯燥并伴有一定危險(xiǎn)性的工作1。工人需要在沖片機(jī)開(kāi)始工作前放進(jìn)材料, 并在沖壓后取出沖片零件。在這放料與

6、取料過(guò)程中, 工人需謹(jǐn)慎小心, 否則容易發(fā)生安全事故2。因此, 需要研究設(shè)計(jì)出代替工人進(jìn)行放料、取料3等工作的真空吸盤(pán)機(jī)械手控制系統(tǒng)。沖壓機(jī)械手是一種根據(jù)沖壓生產(chǎn)流水線的特點(diǎn)4, 能夠讓沖壓生產(chǎn)流水線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的專用機(jī)器5。沖壓機(jī)械手能夠讓操作人員解放自己的雙手, 不用親自進(jìn)行搬運(yùn)工件、上下料等枯燥且?guī)в形ｋU(xiǎn)性的工作, 能夠有效地提高整條加工生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)效率。新能源汽車(chē)定轉(zhuǎn)子沖片生產(chǎn)是大批量的疊片生產(chǎn), 沖壓機(jī)械手的應(yīng)用使得這種具有循環(huán)性、危險(xiǎn)系數(shù)高、節(jié)奏快的加工的效率得到明顯提高, 同時(shí)有效節(jié)約人力勞動(dòng)成本, 提高操作人員自身安全以及設(shè)備的安全性, 保持較高的產(chǎn)品產(chǎn)能、質(zhì)量和工藝穩(wěn)定

7、性。沖壓機(jī)械手可以是一臺(tái)對(duì)應(yīng)一個(gè)工作崗位, 也可以一臺(tái)機(jī)械手進(jìn)行多道工序的生產(chǎn)。一臺(tái)機(jī)械手對(duì)應(yīng)一個(gè)工位一般適用于沖片較大的沖壓生產(chǎn)場(chǎng)合。在沖片的加工生產(chǎn)流水線上一般都配備著自動(dòng)上料機(jī)進(jìn)行自動(dòng)送料。而一臺(tái)多用的沖壓機(jī)械手則更適合用于小型工件的快速?zèng)_壓場(chǎng)合或者需要多個(gè)沖壓工序的加工生產(chǎn)場(chǎng)合, 一般在加工生產(chǎn)流水線上是配合自動(dòng)送料機(jī)以及自動(dòng)收料機(jī)進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)6。沖片 (圖1) 是一種疊置起來(lái)放在電機(jī)內(nèi)部當(dāng)做轉(zhuǎn)子的硅鋼片, 電機(jī)定轉(zhuǎn)子由多個(gè)沖壓好的沖片疊壓在電機(jī)機(jī)座內(nèi)腔而成。沖片在沖壓機(jī)床上進(jìn)行加工, 通過(guò)機(jī)床的沖壓和沖剪而成, 將沖片毛胚材料放在沖壓機(jī)床的沖壓模具上, 在沖床的沖臂作用力下沖剪出所需

8、要的形狀規(guī)格。圖1 轉(zhuǎn)子及沖片F(xiàn)ig.1 Rotor and punching sheet(a) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 (b) 沖片二維圖 (a) Motor rotor (b) Two-dimensional graph of punching sheet轉(zhuǎn)子沖片規(guī)格為直徑Φ292.6 mm、厚度0.35 mm、重量0.8 kg, 材料為硅合金鋼, 其形狀如圖1b所示, 根據(jù)形狀尺寸, 選取合適尺寸的帶料。因?yàn)樵跊_壓零件中, 材料成本比較高, 因此, 提高材料利用率對(duì)于降低生產(chǎn)成本具有重要意義。沖裁的搭邊雖然是廢料, 但它對(duì)于沖片質(zhì)量有很大影響, 根據(jù)沖片尺寸, 通過(guò)查表明確搭邊取值, 其側(cè)搭

9、邊值最小為1.5 mm, 所以帶料寬度選為300 mm。并根據(jù)其材料特性和質(zhì)量, 查找吸盤(pán)的型號(hào), 根據(jù)結(jié)構(gòu)布局, 選用3個(gè)吸盤(pán)呈圓周形均勻分布。1 系統(tǒng)的組成及工藝流程根據(jù)定轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)形狀, 確定流水線沖壓工藝, 結(jié)合企業(yè)具體的場(chǎng)地設(shè)備條件, 設(shè)計(jì)了如圖2所示的真空吸盤(pán)機(jī)械手與沖壓機(jī)設(shè)備圖, 通過(guò)規(guī)劃自動(dòng)化生產(chǎn)流程, 實(shí)現(xiàn)提高沖片生產(chǎn)效率的目的。1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成本次研究的內(nèi)容涉及沖壓機(jī)、真空吸盤(pán)機(jī)械手等設(shè)備及動(dòng)作控制程序, 具體工作范圍是兩臺(tái)沖壓機(jī)床和一臺(tái)機(jī)械手。一般電機(jī)的定轉(zhuǎn)子都是分幾步?jīng)_壓而成的, 本次流水線擬定需要分兩步進(jìn)行沖壓, 先由自動(dòng)送料機(jī)送料到1號(hào)沖床, 把1號(hào)機(jī)械手放

10、在兩臺(tái)沖床之間, 當(dāng)?shù)?臺(tái)沖壓機(jī)上的沖片在初次加工完成之后, 沖壓機(jī)械手就需要將加工好的工件取出并傳遞到第2臺(tái)沖壓機(jī)的工作臺(tái)上進(jìn)行二次加工, 而這種在兩臺(tái)沖壓機(jī)之間傳遞工件的機(jī)械手被稱為中轉(zhuǎn)機(jī)械手, 在此定義為1號(hào)機(jī)械手。當(dāng)2號(hào)沖壓機(jī)沖壓完成后, 第2臺(tái)機(jī)械手要將已經(jīng)加工完成的沖片工件取出, 并放到收集箱內(nèi), 這臺(tái)機(jī)械手被稱為收集機(jī)械手, 在此定義為2號(hào)機(jī)械手。本系統(tǒng)采用硅鋼帶料進(jìn)行連續(xù)沖壓, 系統(tǒng)啟動(dòng)工作時(shí), 鋼板由自動(dòng)送料系統(tǒng)送到1號(hào)沖床加工位, 當(dāng)檢測(cè)到原料放置妥當(dāng), 1號(hào)沖床開(kāi)始沖壓, 當(dāng)1號(hào)沖床沖壓完成時(shí)發(fā)出沖壓完成信號(hào), 中轉(zhuǎn)機(jī)械手從原點(diǎn)移到1號(hào)沖床工作臺(tái)上的預(yù)定位置, 打開(kāi)控制閥

11、, 真空發(fā)生器開(kāi)始工作, 產(chǎn)生真空, 吸取沖片, 確認(rèn)吸穩(wěn)信號(hào)發(fā)出后, 在確定2號(hào)沖床是處于閑置狀態(tài)下時(shí), 將沖片移動(dòng)到2號(hào)沖床的工作臺(tái)預(yù)定位置, 關(guān)閉控制閥, 打開(kāi)真空破壞閥, 破壞真空, 放下沖片, 然后回到原點(diǎn)。當(dāng)2號(hào)沖床檢測(cè)工件放置準(zhǔn)確后, 啟動(dòng)2號(hào)沖床沖壓, 沖壓完成時(shí), 發(fā)出完成信號(hào), 收集機(jī)械手移動(dòng)至2號(hào)沖床工作臺(tái)上, 將已經(jīng)二次加工完成的沖片吸取, 然后移動(dòng)到后面的收集箱上, 放下沖片并回到原點(diǎn)。沖壓生產(chǎn)線系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3。圖2 機(jī)械手與沖壓機(jī)設(shè)備Fig.2 Manipulator and stamping machine equipment圖3 沖壓生產(chǎn)線系統(tǒng)流程圖Fig.3

12、 Flow chart of stamping production line system同時(shí), 為能夠及時(shí)觀察到機(jī)械手的各種數(shù)據(jù)狀態(tài)及工作進(jìn)度, 同時(shí)方便操作人員或者維護(hù)人員控制操作, 為每臺(tái)沖床配備一臺(tái)觸摸屏。觸摸屏上可以顯示出整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù), 并且有自動(dòng)記錄功能, 方便發(fā)生故障后進(jìn)行的排查查閱工作, 其體積相對(duì)較小, 安裝方便, 便于維護(hù), 價(jià)格也較低7。觸摸屏監(jiān)控圖見(jiàn)圖4。1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制工作由PLC作為控制核心8, 整個(gè)機(jī)械手采用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行位置控制, 同時(shí)采用真空發(fā)生器進(jìn)行吸附搬運(yùn)轉(zhuǎn)子, 使搬運(yùn)過(guò)程穩(wěn)定而流暢。整體機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖5所示。2 系統(tǒng)的工作過(guò)程系統(tǒng)分為自

13、動(dòng)/手動(dòng)兩種工作方式9。1號(hào)機(jī)械手系統(tǒng)工作流程圖10如圖6所示。手動(dòng)工作方式主要實(shí)現(xiàn)兩方面作用:一方面, 通過(guò)試驗(yàn), 為系統(tǒng)自動(dòng)工作方式提供各種優(yōu)化后的參數(shù)11;另一方面, 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí), 進(jìn)行調(diào)試, 排除故障。自動(dòng)工作方式以完成一次沖壓過(guò)程為一個(gè)工作周期, 其中, 1號(hào)機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)工作方式的主要工作過(guò)程為:首先檢測(cè)機(jī)械手是否在原點(diǎn), 原點(diǎn)位置在上限位、左右限位的中間。此時(shí), 機(jī)械手處于松開(kāi)狀態(tài)。1號(hào)沖床沖壓完畢后, 機(jī)械手從原點(diǎn)移至1號(hào)工件位置, 吸取并吸穩(wěn)工件, 檢測(cè)2號(hào)機(jī)床就位后, 將機(jī)械手移至2號(hào)沖床位, 放下工件, 機(jī)械手移回原點(diǎn)位置。3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)控制機(jī)械手所需要的輸入

14、點(diǎn)和輸出點(diǎn)是, 選用三菱FX2N-80MT-D型號(hào)的PLC, PLC與外部設(shè)備的連接是通過(guò)I/O接口實(shí)現(xiàn)的, 輸入端口采集外部的輸入信號(hào)并轉(zhuǎn)化為CPU能夠識(shí)別的信號(hào);輸出端口將CPU輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)的信號(hào)并輸送給輸出設(shè)備12。本系統(tǒng)的I/O接口定義如表1所示。PLC控制程序如圖7所示, 程序內(nèi)容有如下說(shuō)明。公共程序, 程序步031為程序的公共部分。初始化系統(tǒng), 即當(dāng)程序激活時(shí), 激活初始步S0, 同時(shí)復(fù)位之前動(dòng)作, 當(dāng)程序啟動(dòng) (X0為ON) , 令機(jī)械手為松開(kāi)狀態(tài)。主程序設(shè)計(jì)有3種動(dòng)作:回零、手動(dòng)和自動(dòng)。開(kāi)機(jī)之后一般先回零, 選用X4為回零按鈕, 調(diào)用P0回零子程序進(jìn)行回零。同時(shí)主程序附

15、有自動(dòng)方式的原點(diǎn)條件檢測(cè)程序, 用M10來(lái)表示?；亓? 即P0子程序, 設(shè)置原點(diǎn)條件, 原點(diǎn)位置為上限位、左右限位的中間, 此時(shí)機(jī)械手處于放松狀態(tài)。圖4 觸摸屏監(jiān)控圖Fig.4 Touch-screen monitor(a) 1號(hào)機(jī)械手總控圖 (b) 2號(hào)機(jī)械手總控圖 (c) 1號(hào)機(jī)械手手動(dòng)控制 (d) 2號(hào)機(jī)械手手動(dòng)控制 (e) 1號(hào)機(jī)械手監(jiān)控圖 (f) 2號(hào)機(jī)械手監(jiān)控圖 (a) Master control chart of manipulator 1 (b) Master control chart of manipulator 2 (c) Manual control of manip

16、ulator 1 (d) Manual control of manipulator 2 (e) Monitoring chart of manipulator 1 (f) Monitoring chart of manipulator 2圖5 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of manipulator structure自動(dòng)工作方式, 即P2子程序, 程序步73132為自動(dòng)工作方式, 系統(tǒng)執(zhí)行周期性的生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)程序選擇自動(dòng)工作方式時(shí) (X6為ON) , 原點(diǎn)條件滿足, 按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān) (X2為ON) , 開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)1號(hào)沖床工件是否到位 (X10為ON) ,

17、 1號(hào)沖床是否沖壓完畢回到上限位 (X20為ON) , 然后機(jī)械手左行 (Y2為ON) , 達(dá)到左限位 (X14為ON) , 接著機(jī)械手下行 (Y5為ON) , 達(dá)到下限位 (X17為ON) , 打開(kāi)供給閥 (Y6) , 關(guān)閉放氣閥 (Y7) , 當(dāng)1號(hào)沖床吸穩(wěn)檢測(cè)穩(wěn)定時(shí) (X12為ON) , 令機(jī)械手上升, 達(dá)到上限位 (X16為ON) , 此時(shí)等待2號(hào)沖床處于無(wú)工作狀態(tài), 即2號(hào)沖床處于上限位 (X22為ON) , 機(jī)械手右移到2號(hào)沖床加工位置, 到達(dá)右限位 (X15為ON) , 接著下移到2號(hào)沖床工作臺(tái), 達(dá)到下限位后 (X17為ON) , 機(jī)械手松開(kāi) (Y7為ON) , 工件放置到2號(hào)

18、機(jī)床, 經(jīng)過(guò)2號(hào)機(jī)床位置檢測(cè) (X11為ON) , 工件已經(jīng)放置準(zhǔn)確, 機(jī)械手先上行, 再左行至原點(diǎn), 繼續(xù)下一輪工作。如果開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)1號(hào)沖床工件不到位 (X10為OFF) , 即工件放置錯(cuò)誤, 蜂鳴器響報(bào)警, 直到按停止鍵 (X3為ON) 后檢查。圖6 1號(hào)機(jī)械手系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 System workflow chart of manipulator 1表1 I/O接口Table 1 I/O interface圖7 1號(hào)機(jī)械手PLC程序Fig.7 PLC program of manipulator 1手動(dòng)工作方式, 即P1子程序, 程序步4872為手動(dòng)工作方式, 可以手動(dòng)調(diào)試系

19、統(tǒng), 另外當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以進(jìn)行維修。用X24X35對(duì)應(yīng)的按鈕來(lái)控制不同的開(kāi)關(guān)以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備, 并對(duì)設(shè)備相反的功能進(jìn)行軟件互鎖。 (1) 程序步4853實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的吸取和放下工件, X36為吸件按鈕, 打開(kāi)供給閥, 關(guān)閉放氣閥, 吸住工件, X37為放件按鈕。 (2) 程序步5461實(shí)現(xiàn)1號(hào)機(jī)械手上、下移動(dòng)功能。當(dāng)啟動(dòng)上移按鈕 (X32為ON) , 同時(shí)機(jī)械手不在上限位, 機(jī)械手會(huì)向上移動(dòng), 它與向下移動(dòng)功能互鎖, 即向上和向下功能同時(shí)最多只能執(zhí)行一種;同理, X33為機(jī)械手下移按鈕。 (3) 程序步6271實(shí)現(xiàn)1號(hào)機(jī)械手左、右移動(dòng)功能。當(dāng)啟動(dòng)右移按鈕 (X31為ON) , 同時(shí)機(jī)械手不在

20、右限位, 機(jī)械手會(huì)向右移動(dòng), 它與向左移動(dòng)功能互鎖, 同理, X30為機(jī)械手左移按鈕。通過(guò)多次實(shí)踐, 使用手動(dòng)工作方式進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)節(jié), 求得實(shí)際生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)的最優(yōu)工藝參數(shù)值, 即通過(guò)實(shí)際反復(fù)試驗(yàn)得出最優(yōu)的沖壓動(dòng)作速度為20次·min-1、物料移動(dòng)速度為4.2 m·s-1和機(jī)械手等待時(shí)間為1 s等, 并將其應(yīng)用于系統(tǒng)的自動(dòng)工作方式中, 以PLC程序?yàn)榭刂坪诵膶?shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制運(yùn)轉(zhuǎn), 使得系統(tǒng)能夠以最優(yōu)效率自動(dòng)沖壓, 大大提高了生產(chǎn)效率及沖片的合格率和穩(wěn)定性。4 結(jié)語(yǔ)新能源汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)在國(guó)家有利政策的引導(dǎo)下, 正處于蓬勃發(fā)展的階段, 而電機(jī)零部件生產(chǎn)技術(shù)水平已經(jīng)成為制約產(chǎn)

21、量最重要的因素之一, 引入現(xiàn)代化的智能控制技術(shù), 在傳統(tǒng)的由多臺(tái)沖壓機(jī)床組成的定轉(zhuǎn)子沖片沖壓生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上, 研究采用PLC控制整個(gè)系統(tǒng)的方案, 運(yùn)用真空發(fā)生器控制真空吸盤(pán)吸放沖片, 并運(yùn)用機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)送料, 設(shè)計(jì)快速連續(xù)作業(yè)的工藝流程和智能準(zhǔn)確控制的PLC系統(tǒng)控制、手動(dòng)及自動(dòng)化生產(chǎn)流程相關(guān)程序, 同時(shí)使用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話控制, 以及進(jìn)行生產(chǎn)流程監(jiān)控, 使整條生產(chǎn)線的工作更加流暢快捷;并通過(guò)實(shí)踐探索出各環(huán)節(jié)的最優(yōu)工藝參數(shù)值, 實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子沖片的高效率自動(dòng)化生產(chǎn)的目的, 提高和穩(wěn)定沖片生產(chǎn)質(zhì)量, 才能有效提高新能源汽車(chē)關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)效率, 從而實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)大批量生產(chǎn)的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)：1 肖

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