王 昕， 買婭茹， 梅 淼， 楊家富

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

現(xiàn)階段在輪轂的生產(chǎn)和檢測(cè)過(guò)程中，往往需要分別進(jìn)行輪轂的正反面加工和檢測(cè)，目前很多都是靠人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，耗時(shí)耗力、效率低、難以解放勞動(dòng)力。因此，設(shè)計(jì)一種輪轂翻轉(zhuǎn)裝置，該裝置能以手動(dòng)以及自動(dòng)循環(huán)兩種方式控制平臺(tái)升降，實(shí)現(xiàn)輪轂夾緊及輪轂翻轉(zhuǎn)流程。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 翻轉(zhuǎn)要求

由于輪轂需要正反面加工，該輪轂翻轉(zhuǎn)裝置要能夠?qū)崿F(xiàn)將輪轂夾緊，然后對(duì)其進(jìn)行180°的翻轉(zhuǎn)，并自動(dòng)放置于反向輪轂盤便于反面加工。

1.2 具體結(jié)構(gòu)

根據(jù)輪轂特點(diǎn)，機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)布局采用立式結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)裝置主要由升降機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由氣缸實(shí)現(xiàn)。具體操作流程圖如圖2所示。操作開始后，升降氣缸的執(zhí)行桿回縮，豎直滑臺(tái)下行，在行程開關(guān)的作用下，至一對(duì)卡爪的輪轂卡持半槽與設(shè)置在正向輪轂盤上正置輪轂的受夾持側(cè)面平；夾緊氣缸的兩個(gè)執(zhí)行桿回縮，驅(qū)動(dòng)夾緊臂靠攏，使一對(duì)卡爪卡持正置輪轂；升降氣缸執(zhí)行桿外伸，豎直滑臺(tái)上行，滑臺(tái)上行至上端行程開關(guān)達(dá)最高點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)氣缸啟動(dòng)，帶動(dòng)夾緊臂擺動(dòng)180°，翻轉(zhuǎn)輪轂為反置輪轂；升降氣缸執(zhí)行桿回縮，豎直滑臺(tái)下行至一對(duì)卡爪卡持反置輪轂置放在反向輪轂盤上；夾緊氣缸兩個(gè)執(zhí)行桿外伸，一對(duì)卡爪解除對(duì)反置輪轂的卡持狀態(tài)，完成一個(gè)作業(yè)流程。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 操作流程圖

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)分析

此輪轂翻轉(zhuǎn)裝置的氣動(dòng)控制圖如圖3所示。電磁換向閥分別控制升降氣缸、夾緊氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，在系統(tǒng)工作時(shí)，3個(gè)氣缸按照預(yù)定的程序先后順序，具有響應(yīng)速度快，運(yùn)行效率高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。以下是輪轂翻轉(zhuǎn)裝置氣動(dòng)系統(tǒng)控制的原理過(guò)程。

圖3 氣動(dòng)控制原理示意圖

該設(shè)備的動(dòng)力核心就是氣動(dòng)控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)很大程度上決定著設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面充分考慮設(shè)備的特點(diǎn)，在保證設(shè)備的穩(wěn)定性及安全性的前提下盡可能地提高設(shè)備的工作效率。

氣動(dòng)控制系統(tǒng)使用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)氣壓泵工作來(lái)提供動(dòng)力，主要通過(guò)氣缸帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)，在預(yù)定位置處設(shè)立行程開關(guān)，通過(guò)氣缸的活塞桿運(yùn)動(dòng)中碰到預(yù)定位置的行程開關(guān)來(lái)控制各個(gè)電磁換向閥的得電與失電，從而改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，行程開關(guān)有效控制系統(tǒng)上升和下降的位置，夾緊和松開的程度以及翻轉(zhuǎn)的角度。各個(gè)電磁換向閥按規(guī)定順序工作，從而保證設(shè)備有序地按照下降、夾緊、上升、翻轉(zhuǎn)、下降、松開、上升、翻轉(zhuǎn)的流程進(jìn)行工作。

系統(tǒng)啟動(dòng)之前，各三位四通換向閥處于中位，閥口均不開啟；系統(tǒng)啟動(dòng)后，此時(shí)不論各個(gè)氣缸處于什么位置，都將默認(rèn)進(jìn)行初始化的工作。

系統(tǒng)在升降、夾緊、翻轉(zhuǎn)的三個(gè)回路中分別設(shè)置節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)活塞桿的伸出 和返回的速度，可以防止氣缸急速伸出和缸速過(guò)慢產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于裝置要求的可靠性、穩(wěn)定性以及維護(hù)的方便性，本裝置控制系統(tǒng)主要針對(duì)PLC外圍接線圖的設(shè)計(jì)。

按照裝置的工作和控制的具體要求，設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)定為18個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)定為10個(gè)。日本三菱公司FX系列PLC系統(tǒng)有滿足要求的接線端子，且相較于其他系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)。因而本裝置的控制系統(tǒng)選用FX2N-32MR。

本控制系統(tǒng)的PLC輸入、輸出接線圖如圖4所示。

圖4 PLC接線圖

交流電220 V作為基本模塊FX2N-32MR的輸入電壓，數(shù)字輸入端主要包括系統(tǒng)的啟動(dòng)、自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、下降、上升、夾緊、松開、左右翻轉(zhuǎn)等控制開關(guān)以及一些用于限位的行程開關(guān)。輸出端電源為直流24 V，用于驅(qū)動(dòng)各電器如指示燈、電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行系統(tǒng)工作。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)程序由自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩個(gè)模塊組成。

3.2.1 手動(dòng)控制模式

當(dāng)按下手動(dòng)模式的開關(guān)，接通輸入點(diǎn)X002，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)控制狀態(tài)，系統(tǒng)可以進(jìn)行下降、上升、左翻轉(zhuǎn)、右翻轉(zhuǎn)、夾緊和松開6種操作，可以滿足對(duì)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中各個(gè)動(dòng)作單獨(dú)控制的要求，十分方便簡(jiǎn)單。具體手動(dòng)控制程序梯形圖如圖5所示。

圖5 手動(dòng)控制程序梯形圖

3.2.2 自動(dòng)循環(huán)模式

當(dāng)按下自動(dòng)模式的開關(guān)，接通輸入點(diǎn)X001，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)工作狀態(tài)，本裝置是以電氣系統(tǒng)中的行程開關(guān)作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移信號(hào)，按照預(yù)定的動(dòng)作順序進(jìn)行工作，首先是初始化設(shè)備狀態(tài)，升降氣缸下降到預(yù)定位置，夾緊氣缸夾緊工件，升降氣缸上升到預(yù)定位置，旋轉(zhuǎn)氣缸對(duì)工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，升降氣缸下降到預(yù)定位置，夾緊氣缸松開工件，升降氣缸上升到預(yù)定位置，旋轉(zhuǎn)氣缸翻轉(zhuǎn)返回，完成一個(gè)循環(huán)流程。

該裝置的控制過(guò)程為典型的循環(huán)順序控制，其自動(dòng)控制系統(tǒng)順序功能圖如圖6所示。

圖6 自動(dòng)控制系統(tǒng)順序功能圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析裝置翻轉(zhuǎn)的工作原理和邏輯控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)控制的輪轂翻轉(zhuǎn)裝置。本裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由氣缸驅(qū)動(dòng)，工作方式上具有一定的順序安排。根據(jù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和動(dòng)作特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了PLC系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，抗干擾能力強(qiáng)，提高了裝置的運(yùn)行性能，還具有高可靠性，高穩(wěn)定性等明顯優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)具備手動(dòng)控制和自動(dòng)循環(huán)兩種工作模式，操作面板簡(jiǎn)單整潔，易于用戶快速掌握，有較強(qiáng)的可操作性。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，該設(shè)備已成功應(yīng)用于南京某公司的輪轂檢測(cè)線，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)可應(yīng)用于不同場(chǎng)合，廣泛適用于物體加工過(guò)程中的翻轉(zhuǎn)加工，在自動(dòng)化生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。