齿轮齿轴齿圈自动化酸洗线小车控制系统的设计

2020-03-22方线伟杨灿兴韩明强郭飞鹏

机械工程与自动化 2020年1期

方线伟，杨灿兴，韩明强，郭飞鹏

（法兰泰克重工股份有限公司，江苏苏州 215211）

0 引言

目前国内齿轮齿轴齿圈酸洗线（简称酸洗线）自动化程度普遍不高，小车采用传统CD或MD型葫芦，起升和运行机构均为接触器正反转控制，控制精度差；小车运行过程中启动和制动不平稳，尤其是在过弯轨段时，小车轮与轨道硬摩擦，易损坏车轮面和轨道面；本地采用手电门操作，效率低，操作人员易疲劳，酸碱水汽等环境对操作人员的健康也不利；工件的酸洗过程靠人为控制，可控度低，可追溯性差。对其进行更新换代已刻不容缓，因此本文重点介绍一种自动化酸洗线控制系统的设计。

1 酸洗线系统简介

酸洗线系统由框架、环形轨道、VAHLE单极滑线、检修道岔、酸洗线小车、总控系统、超声波槽、清水槽、酒精槽、硝酸槽、盐酸槽、碱液槽、风干槽、浸油槽、滴油槽等主设备以及加热、通风、给排水、照明等辅助设备组成，整体布局如图1所示。

图1 酸洗线系统整体布局图

本套自动化输送系统配备5台EMS小车组，4台用于生产，1台备用。环形轨道配有检修岔道，1个备用葫芦在检修岔道上待用，当各酸洗、碱洗工位一旦发生葫芦故障，可以将故障葫芦调成手动状态开离工位，备用葫芦开到工位，及时将工件吊离溶液。

EMS小车自动输送工件酸洗流程如下：超声波清洗1→超声波清洗2→清水漂洗→酒精浸泡→硝酸浸泡→清水漂洗→酒精浸泡→盐酸浸泡→清水漂洗→碱性溶液浸泡→清水漂洗→65°清水漂洗→风干→浸油漂洗。清洗结束后自动进入风干工位，风干槽采用干燥除水方案，即通过除湿机将排风口空气进行除湿，且将风口加热，确保工件120s内表面无水。

2 酸洗线系统硬件配置方案

采用PLC对酸洗线进行集中控制，地面总控制PLC与5台EMS酸洗线小车采用无线通讯方式进行数据交换，并与检修岔道、各工位操作站等采用远程分布式系统，EMS小车系统采用安全滑触线供电。

2.1 本地控制方案

地面控制站配有触摸屏，所有小车的诊断、操作和参数设定都可以在触摸屏上更改，并通过触摸屏显示小车的实时状态、位置信息等。同时将EMS小车组系统的运行情况、实时位置等信息通过PN总线形式传输给信息化采集系统。酸洗线主控硬件网络如图2所示。主控系统具体配置如下：地面PLC选用SIEMENS S7-300 6ES7 315-2EH14-0AB0PROFINET；人机界面选用SIEMENS TP1200 6AV 2124-0MC01-0AX0；工业级交换机选用PHOENIXFL SWITCHLM 8TX；无线通讯选用PHOENIX FL WLAN 5100WLAN。

2.2 EMS小车控制方案

每台小车上配置一个无线客户端和独立的PLC控制单元，使小车成为独立的智能控制系统。小车上所有的位置信息、运动状态、速度信息等信号都通过本车PLC进行采集管理和逻辑处理，同时反馈到地面主控PLC，现场控制信号直接进入主控单元，将执行结果予以输出，以此来完成各种工艺要求的动作和运动。单个小车自身PLC与行走、起吊驱动的变频器、安全模块、条码读写装置等设备采用Profinet总线进行通讯，酸洗线小车硬件网络如图3所示。

图2 酸洗线主控系统硬件网络图

图3 酸洗线小车硬件网络图

酸洗线小车的具体配置如下：PLC选用SIEMENS S1200 6ES7 217-1AG40-0XB0；起升吊钩高度检测选用SICKATM60系列机械式绝对值编码器；运行定位选用LEUZEBPS 348i系列PROFINET接口产品；起升和运行分别选用ABB ACS880系列变频器；无线通讯选用PHOENIX FL WLAN 5100WLAN。

2.3 技术优点介绍

无线接入点使用全向天线双向传输和MiMo技术，该技术使数据传输更安全、更高效，数据传输的覆盖区域更广；起升和运行机构采用的绝对值编码器具有高分辨率、高防护等级、高可靠性等诸多优点；小车系统的激光扫码头具有超大的工作距离，可达到50mm～170 mm，当小车距离偏移时，系统具有容差特性和高可靠性，能够灵活地进行机械安装，使维护更换更加便捷；系统内的所有变频器配备有编码器反馈卡，使用闭环控制方式来提高控制的精度。该系统的变频器均配有N5050专用防摇软件，其防摇功能可以有效控制小车运行方向上的吊钩摆动，变频器的实时数据均能通过PLC来读取并直接显示在总控触摸屏上。本设计可根据不同酸洗件的工艺要求，在控制系统内设定不同的浸没深度，为了保证工件的酸洗效果，在浸泡过程中，工件需要在酸洗槽内进行振幅为100mm的上下振动。

图4 触摸屏主界面

酸洗线的辅助设备控制包括每个槽位（如超声波、酒精、硝酸溶液等）的功能控制、浓度检测仪的自动加料控制、水温控制、照度控制等，由于比较简单，在此不再赘述。

3 酸洗线系统的操作及控制效果

3.1 操作流程介绍

首先，操作人员在上料位挂好工件，小车进入高度检测工位进行必要的原始数据测量，检测系统各项正常后，系统启动，小车全部行驶至上料工位，所有清洗槽的槽盖打开，系统运行准备就绪，操作人员在地面触摸屏上输入产品种类（齿圈、齿轮、齿轴），一键进入自动酸洗过程，期间无需人员干预，工件自动进入／走出预先设定的检测工位，直至浸油工位完成，酸洗流程结束。其次，操作小车到达检测工位，由检验人员检测并判断工件是否合格。最后，操作酸洗小车进入废品区或下料区，单个工件酸洗结束。小车行走定位采用条码定位方式，通过小车组上的扫码头扫取轨道上的条码进行定位。

环形轨道上有4台小车同时工作，逐个进入槽内酸洗，控制程序内设定的同一个工位不会同时存在2台小车，以避免小车之间的碰撞。同时，每台小车均配置有独立的无线遥控器，在紧急情况下，可切换成手动模式，即遥控器操作，遥控器之间频率互不干扰。

在EMS小车组与轨道钢结构每一跨上加装光电传感器，当前车组首车进入下一跨时，钢结构上的光电传感器与前车组传感器接近，若总控PLC识别该跨内已有车组，则不允许其他车组进入当前跨内；当前车组尾车进入下一跨内时，钢结构上的光电传感器与前车组传感器接近，总控PLC识别该跨内无车，此时下一车组可以进入该跨内作业。