基于PLC的轴类零件自动生产线的控制系统设计

车 娟 江明棠

（1.苏州健雄职业技术学院，江苏苏州215411；2.铁王数控机床（苏州）有限公司，江苏苏州215400）

0 引言

本文针对某企业的编织机主要轴类零件的生产项目，开发设计了一套工业机器人1对2台NC车床自动上下料生产线，克服了现有加工装置自动化程度不高的缺陷。该生产线主要由两部高精度数控车床、工业机器人、棒材台阶式供料装置、齿轮齿条翻转装置、双层收料装置等组成。项目要求两台车床同时完成同一件轴类零件加工中半精车正面和半精车反面的两道加工工序，均采用工业机器人进行自动上下料，完成取料—入OP1取成品—清洁夹具—换夹放毛坯—OP1加工—翻转—入OP2取成品—清洁夹具—换夹放半成品—OP2加工—下料的自动循环，整个加工过程无需人为上下料，工人劳动强度低，产品生产率提高。

1 棒材车削自动生产线控制系统的设计要求

（1）数控车床车削销轴和销套，因为毛坯直径、长短大小不同，采用一套棒材台阶式供料装置，工业机器人的末端机械臂配用两副平行夹爪，一副带有辅助导向支架，用于夹取未加工件，一副用于夹取已加工件，进行24 h连续生产。

（2）当OP1机床放入一个坯料启动加工后，机械臂至供料站取料，事先由操作员依序固定方向将坯料摆放到料槽内，让举升气缸推升一个坯料，其余多出材料等待下一个循环送出。机械臂从固定位置自动取料，送到OP1机床自动门前，等待第一工序加工完成信号送出。

（3）当OP1机床完成第一工序，程序开启安全自动门，允许机械臂进入机床内，用成品夹取出成品并吹净夹具，然后交换夹爪将坯料送入车床卡盘，同时借助夹爪上的辅助导向支架，快速引导工件紧密贴服机床卡盘挡位板进入正确位置。完成交换工件后，机械臂退出机床，关自动门，再启动机床加工程序，开始第一道工序加工。

（4）机械臂将在OP1机床加工完成的半成品放置到待加工翻转站，翻面后用带辅助导向支架的夹爪夹取已翻面的半成品至OP2机床自动门前，等待OP2车床加工完成信号送出。

（5）当OP2机床完成第二道工序，程序开启安全自动门，允许机械臂进入机床内，用成品夹取出成品并吹净夹具，然后交换夹爪将坯料送入车床卡盘，同时借助夹爪上的辅助导向支架，快速引导工件紧密贴服机床卡盘挡位板进入正确位置。完成交换工件后，机械臂退出机床，关自动门，再启动机床加工程序，开始第二道工序加工。

（6）机械臂带着经两序车削完成的成品，放入收料装置的成品盒，然后回到供料装置取出另一个坯料，机械臂完成一个独立循环，并同时开始第二次加工循环。

2 自动上下料生产线的主要结构

2.1 工业机器人

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，主要由机械手、机器人控制器、手持式编程器、连接线缆、软件及其他附件组成。人类借助手持式编程器预先编制运行程序，机器人控制器按照输入的程序对机械手发出指令信号，使机械手产生动作。工业机器人在该产品加工自动线上主要负责产品的上下料和搬运，设计同时装配取料和放料两个夹爪。

2.2 NC车床配备

为实现两台NC车床加工自动上下料，配备NC车床需要注意以下事项：

（1）该生产线加工的产品主要为销轴和轴套，所以车削外圆和内孔时需要配备主轴中心出水和吹气的功能，以达到排屑优良畅通的目的。

（2）OP1车床的卡盘应加工坯料，卡盘考虑配置一套硬爪夹具；而OP2车床需要配备防夹伤软爪。

（3）为搭配自动化需要，NC车床需要增加机械手界面和自动开关门。

2.3 棒材台阶式供料装置

棒材台阶式供料装置主要包括料仓、定位气缸、升降料气缸、台阶支撑架、V型架、调整垫片、支架、挡料板、调整板等，如图1所示。

图1 棒材台阶式供料机构模型图

工人将某一批次的棒料放入料仓内，坯料沿斜面滚至台阶支撑架的1位台阶，PLC输出送料信号，升降料气缸带动台阶支撑架顶起，坯料随之顶升至1位调整片，然后沿1位台阶的斜面滚至1位调整片上；同时在台阶支撑架的2位台阶的毛坯随支撑架上顶至2位调整片；此外，在台阶支撑架的3位台阶的毛坯随支撑架上顶，然后沿3位台阶的斜面滚动，经过挡板，滚至V型架，然后V型架处的接近开关检查到有工件，定位气缸运动对坯料进行定位。

2.4 齿轮齿条翻转装置

齿轮齿条翻转装置主要由翻转支撑板、齿轮、齿条、Y型接头、齿条保持架、固定底板、翻转底板、夹紧气缸和夹具机构等组成。当检测传感器判断工件支架上有待翻转工件时，夹紧气缸上夹具夹住工件，由齿轮齿条带动翻转90°，气爪松开，工件由此被翻转。

2.5 双层收料装置

双层输送收料装置，以滚筒为承载，结构较为简单，维修方便，成本价格较低，需要使用托盘辅助，承载产品的类型广泛，可以实现产品的连续或节拍运输。上层为供料，下层为收料，主要由滚筒、侧板、拉链条、升降机构、减速电机、传感器等零部件组成。托盘借助上层滚筒传送至升降机，然后机械手将取出的成品工件后放入托盘，当PLC判断托盘装满工件后，通过升降机下送到下层滚筒。

3 棒材车削自动生产线的控制系统设计

棒材车削自动生产线动作分析：从供料装置取料，到OP1机床等加工完成—完成加工开安全门—入OP1取成品—清洁夹具—换夹放毛坯料—机械手出OP1机床—关安全门—OP1机床启动加工—机械手放工件到齿轮齿条翻转装置—到OP2机床等待加工完成—OP2机床完成加工开安全门—入OP2机床取成品—清洁夹具—换夹放半成品工件—机械手出OP2机床—关安全门—OP2机床启动加工—机械手放成品至收料装置的收料盒—完成单序16件一循环。

PLC控制流程图如图2所示。

图2 PLC控制流程图

4 结语

为了对操作人员完善保护，本套生产线还要求在机床四周超出300 mm宽设置安全围篱、安全防护栅门和开门按钮开关，操作人员能随时监看机床操作屏幕，但不能进入机器人运作区域内。当操作人员想进入机器人工作区域，需按压开门按钮，等待机器人响应离开该区域时，防护栅门才能自动打开，以避免发生碰撞等危险事故。本文结合PLC（可编程控制器），根据某企业产品生产需求设计了棒材车削自动生产线的控制系统，PLC和工业机器人的应用不仅推动了工业自动化的发展，而且加速了机电一体化的实现。