一、簡介

輥鍛機是回轉(zhuǎn)鍛造機械的一種，屬于回旋壓縮成形類的范疇。以往的輥鍛機在鍛壓過程中，由人工夾持高溫燒紅的工件進行鍛壓，如圖1所示，生產(chǎn)環(huán)境惡劣、效率低下，安全防護裝置難以百分之百保障設備和人身安全。為了善勞動條件，提高生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了機械式的輥鍛機送料設備，但是此種設備往往存在機械成本高、通用性差、調(diào)整不靈活、人機交互差等一系列問題。這就需要開發(fā)出更合理的輥鍛機送料機械手控制系統(tǒng)，來提高機械效率、改善安全狀況、增強設備通用性。近日，采用四方全套工控產(chǎn)品開發(fā)的輥鍛機送料機械手在某大型鍛壓設備廠成功應用，完滿解決了上述問題。

圖1  輥鍛機人工送料

二、工藝分析

輥鍛是材料在一對反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。它是成形軋制(縱軋)的一種特殊形式。

輥鍛變形原理如圖2所示。輥鍛變形是復雜的三維變形。大部分變形材料沿著長度方向流動使坯料長度增加，少部分材料橫向流動使坯料寬度增加。輥鍛過程中坯料橫截面面積不斷減小。輥鍛適用于軸類件拔長，板坯輾片及沿長度方向分配材料等變形過程。

圖2 輥鍛變形原理圖

輥鍛變形的實質(zhì)是坯料的軋制延伸，坯料部分截面變小而面的幅度增加。當截面變形較大時，需要經(jīng)多次輥軋完成。其工藝設計主要是合理的決定各工步輥鍛的壓下量、展寬量和延伸變形量。它們?nèi)Q于輥徑的大小、孔型的形狀尺寸、毛坯的溫度和冷卻潤滑等變形條件。坯料的一端用夾鉗夾緊，在扇形模的第一道孔型的輥壓下變形(初成形)并退出；然后在下道孔型的無模空間處送進，再次輥壓變形(預成形)并退出；根據(jù)變形的需要，經(jīng)多道輥壓而逐漸成形，得到所需的成形工件(終成形)如圖3所示。

圖3 輥鍛成型過程

輥鍛機送料機械手的原理如圖4所示，輥鍛機的上壓輥與下壓輥按箭頭所示方向運動，Y軸方向進行平移運動，使機械爪夾持的工件（虛線部分）與第一個孔型位置對齊，同時X軸方向進行進給動作將工件按照設定的距離伸入到孔型位置內(nèi)部，同時旋轉(zhuǎn)軸帶動機械爪旋轉(zhuǎn)設定角度，此時工件到位，上下壓輥同時動作，將工件向外擠壓塑性，鍛壓的同時X軸帶動工件同步后退，當鍛壓完成后，重復上述過程進行后續(xù)孔位的鍛壓。

圖4 工藝原理圖

三、方案設計

本方案以四方EP1系列PLC為控制核心，以四方CA100伺服驅(qū)動器為執(zhí)行機構，以四方EM1系列觸摸屏為人機交互設計了一套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)輥鍛機送料機械手性能的提高。

1、送料機械手的整體工藝流程如圖5所示。

圖5 工藝流程圖

2、輥鍛機送料機械手系統(tǒng)架構

系統(tǒng)進給軸、平移軸和旋轉(zhuǎn)軸采用CA100伺服系統(tǒng)精確定位，EP1系列PLC整體調(diào)度控制時序，按照工藝流程控制各伺服軸進行工件夾緊、進給、旋轉(zhuǎn)、平移等操作。如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)整體結(jié)構

四、系統(tǒng)調(diào)試

1、系統(tǒng)配線圖

輥鍛機送料機械手主要電氣部分的電氣圖紙如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)電氣圖紙

2、伺服驅(qū)動器參數(shù)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試首先要進行的是伺服參數(shù)調(diào)試，使伺服的功能和性能達到系統(tǒng)的要求，伺服驅(qū)動器調(diào)試的主要參數(shù)如下表所示：

表1  伺服驅(qū)動器調(diào)試參數(shù)（部分）表

3、 PLC程序調(diào)試

為了完美的完成系統(tǒng)動作，達到系統(tǒng)要求，需要不斷的優(yōu)化PLC程序，使用四方EP1系列PLC的在線監(jiān)控功能，可以方便的監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，快速的修改寄存器參數(shù)等。由于EP1系列PLC提供了2路通訊接口，PLC在在線監(jiān)控的同時也可以同時連接人機界面，接受來自人機界面的指令，可同時觀察指令發(fā)送的正確與否。

圖 8 EP1系列PLC在線監(jiān)控圖

PLC程序調(diào)試的難點在于，輥鍛機在軋制坯料的同時，送料機械手需要隨著坯料的移動同步后退，需要將按裝早軋輥上的同步編碼器信號引入到PLC中，PLC對編碼器信號進行處理，同時輸出高速脈沖控制進給軸的同步后退。

4、帶工件調(diào)試

帶工件調(diào)試為測試系統(tǒng)的整體性能，測試系統(tǒng)是否能滿足生產(chǎn)要求的最后一步調(diào)試。帶工件調(diào)試需要注意以下問題：

（1）軋輥的零點與工件需要保持一段距離，電機帶動軋輥運行起來需要一段距離來提高慣性，如果沒有這段距離，軋輥會被工件卡住而不能運行。

（2）要正確設置軋輥的周長與扇形模具長度的比值，這樣才能使進給軸回退的動作與坯料在軋輥作用下的回退動作保持同步。

5、人機交互界面設計

HMI主界面如圖9所示，主界面集成了工作過程中的所有功能和狀態(tài)，可進行鍛壓系統(tǒng)啟停、回零、急停等操作，顯示設備的當前工作狀態(tài)和報警狀態(tài)等信息。

圖9 HMI主界面

HMI工件庫功能如圖10所示，可以根據(jù)生產(chǎn)的不同工件的不同工藝設置相對應的參數(shù)，將此組參數(shù)保存下來，方便下次生產(chǎn)相同工件時直接調(diào)用。

圖10 HMI工件庫界面

五、結(jié)束語

通過采用以上控制方案，較好的解決了傳統(tǒng)輥鍛機人工送料和機械式送料設備的安全隱患高、靈活性差、效率低、成本高等不足的問題，同時本文探討了輥鍛機送料機械手最新控制技術及基于四方電氣機電產(chǎn)品的實現(xiàn)過程。應用四方電氣全套的工控產(chǎn)品鏈，可提供可靠的輥鍛機送料機械手控制方案，同時為客戶提供定制的程序服務，完成客戶對輥鍛機送料機械手的特殊要求。運行實踐證明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡便、可靠性高、生產(chǎn)效率高、一體化程度高、性價比高，得到最終客戶的認可與稱許。

參考文獻

1、深圳市四方電氣EP1系列PLC編程手冊.    深圳市四方電氣技術有限公司. 2016

2、深圳市四方電氣EM1系列HMI用戶手冊.    深圳市四方電氣技術有限公司. 2016

3、深圳市四方電氣CA100系列伺服驅(qū)動器使用說明書.    深圳市四方電氣技術有限公司. 2016