浅谈冲压自动化汇总
毕业项目设计书
项目名称：浅谈冲压自动化
专业名称：机电一体化
姓名：谢涛
学号：201129056114 班级：机电11-1
指导教师：赵秋玲
2014年4月
毕业项目任务书
摘要
冲压是汽车整车生产的四大工艺之一，在冲压工艺中最主要的设备是压力机。压力机有人工上下料和自动化上下料两种方式，自动化上下料设备专业性较强，生产效率高。随着现代工厂对电气控制技术的不断提高，冲压自动化技术也得到了飞速发展。现在的同步压机与快送料机构之间的主从控制，大幅度的提高了生产效率。冲压自动化技术在冲压自动化设备中，由于控制性能要求高，动态响应快，大都使用包含多轴运动控制的伺服技术。控制器大都包含逻辑控制和运动控制两部分功能，有些集成在一个控制器上，有些系统的逻辑控制和运动控制分属两个控制器。在传动结构上大都使用伺服电动机通过同步带或丝杠传动，往复定位精度在0.5mm以内。经过多年不断的发展和完善，现在冲压自动化设备大致有以下几种：机械手上下料、机器人上下料和快速送料机构上下料，而机械手上下料设备由于成本低，速度快，易维护性较强从而得到最广泛的应用。
关键词：冲压自动化；机械手；伺服控制
ABSTRACT
Stamping process is one of the four automobile production,the most important equipment is the press,it has two loading and unloading mode,by artificial or by automation.The latter mode has highly specialized and highly efficiency.With modern plant for the continuous improvement of the electrical control technology,press automation technology has been rapid development. Now press and fast synchronization between the primary feed mechanism from the control greatly improve the production efficiency.Stamping automation most include multi-axis motion control using servo technology.Most of the controller contains two parts, logic control and motion control functions,some integrated in a controller but some belong to two controllers.The structure of the drive by using the servo motor drive belt or screw,reciprocating positioning accuracy within 0.5mm.After years of continuous development and improvement, now press automation devices generally have the following:loading and unloading by mechanical hand;by robot;by rapid feed mechanism,and the mechanical hand equipment get the most widely used due to low cost, fast and easy to maintain.
Keywords：press automation; mechanical hand;serve control
目录
摘要............................................................. ABSTRACT......................................................... 目录. (1)
绪论 (2)
1、冲压自动化简介 (3)
2、冲压自动化结构 (4)
2.1冲压自动化机械构成 (4)
2.2冲压自动化电气构成 (5)
2.2.1电气硬件组成 (5)
2.2.2电气软件控制 (6)
3、机械手关键技术 (8)
3.1控制器通讯网络 (8)
3.2闭环伺服控制 (10)
4、致谢 (13)
绪论
冲压机械手是在自动化设备的基础上，根据冲压生产特点，专门为实现冲压自动化无人生产而研发的设备，能取代人工在各个冲压工位上进行物料搬运和上下料等工作。其对于冲压等重复性、危险性、节拍高的加工行业，在节约人力劳动成本，提高人工及设备安全性，保持产品产能、质量、工艺稳定性等方面是现代化工业化“开拓创新”的重要精神体现。
目前很多冲压机械手供应商都开发出了同步运动控制功能，应用较多的是西门子的SIMOTION运动控制系统和力士乐的INDRAWORKS运动控制系统。前者在食品加工、印刷、等领域有较多应用，后者在汽车制造和轮胎方面有广泛应用。在冲压自动化行业，能够提供同步控制解决方案的有德国西门子、力士乐和日本的瑞恩。目前在国际上能够使用同步控制集成技术在告诉冲压生产线上的厂家有瑞士的古德、日本的小松等。
从电气控制上讲，古德和小松都是使用带有同步控制功能的工控机作为控制核心，使用力士乐的伺服驱动器作为驱动元件，使用力士乐的伺服电动机作为执行元件实现运动控制的。而压机是如何作为主轴的呢？其信号来源于安装在压机凸轮上的编码器，在整个同步控制中这个编码器就作为主轴，其他从轴随这个主轴按照编辑的同步曲线运动。
1、冲压自动化简介
运动控制系统是以机械运动的驱动设备—电动机作为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，对被控机械实现精确的位置、速度、加速度、转矩或力控制，以及这些被控量的综合控制。
运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在20世纪末进入快速发展阶段。在现代工业自动化技术中，运动控制技术代表着最广泛的用途，并承担着最复杂的任务。虽然运动控制作为一个独立产业的发展历史并不悠久，但随着制造业对产品加工速度和精度要求的不断提高，运动控制产品的市场需求增长很快，运动控制技术也随之得到了极为迅速的发展，产品种类和应用范围在不断扩大，尤其是电子信息等高科技技术的发展，为运动控制提供了更大的发展空间和更加广阔的市场。
冲压自动化系统是一套完整的闭环运动控制系统，是由一套板料拆垛系统；一套清洗涂油系统；一套板料对中系统；一套压机间快速送料传送系统（五个用于4台压机）和线尾皮带系统组成，从毛坯的上料到冲压件下线全部自动完成。生产节拍最高为6～9次/min，整条冲压线约需6～7名操作工人。采用国际先进的高速紧凑型冲压线，能快速提高冲压机的生产效率。板料对中采用当今先进的光学摄像系统进行定位。每个自动化单元配一个机械手臂，末端端拾器利用真空发生器原理吸住板料进行传送，省去了穿梭装置，缩短了输送距离，减少了压力机的间距。
为适应柔性化的生产要求，压力机的所有控制功能做到集成化，从而实现全套模具的菜单化管理，主要包括滑块行程调整、平衡器气压的调整、气垫行程调整以及自动化控制系统等各个环节的参数设定。具有现场通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式功能的现场总线技术是压力机控制技术的发展方向，对实现自动化具有明显推动作用。压力机控制系统的集成化可通过单一操作接口实现所有压机和模具的各项控制功能，包括故障诊断、模具菜单配置、可编程限位开关和模具监控及调整等，并使设备的维修保养更加方便，而且明显增加压力机的有效工作时间。
冲压机械手伺服驱动系统最突出的特点就是：电动机直接与齿轮相互连接，由于电动机的转速可以任意调节，从而可以任意地调节曲柄机构的运动速度，任意加快或减慢传送速度。
2、冲压自动化结构
2.1冲压自动化机械构成
冲压自动化输送线机械机构主要由线头上料小车，拆垛横梁、支架、拆垛机、磁性分张器、清洗机、扫描仪、对中台、五台机械手和线尾皮带机构成。
线头上料下车，可以实现裸料及带料架板料的安放，由激光束确定板料的左右位置，不同的板料，有不同的尺寸，所以需要在激光头滑动板上相应位置，刻上相应板料的位置，以便在以后的工作中好操作。由机械部件做前后的限位装置，它可以旋转90度，然后用一塞棒固定好位置。同时，它可以沿其支架左右移动，动力靠手动摇其上的转轮，机械限位及其支架亦可以实现上下运动。
磁性分离器安装在固定的钢结构支架上，小车四周没有任何可能同上料发生干涉的装置。磁性分离器在换模时只需调整一次，即换模后是自动调整。磁性分离器安装支架，可上下动依靠电机带动丝杆转动，安装支架处有一螺母。
检测拆垛机械手拿来的板料，若为双层板料，则电机反转，将板料退回到双料回收箱，直至检测到单层板料，电机正转，送往前段传送带。传送带两侧有安全保护栅栏。由于板料小车处可以进入操作人员，故当使用一侧小车时，将升起另一侧的安全保护栅栏，避免拆垛手中飞出的板料伤人。
扫描仪将采集到的板料图像传送到计算机，计算机将该图像同预先设置的板料位置数值进行比较。若发现数据不一致，则进入对中台后，进行旋转与侧移，以达到准确位置，从而避免进入模腔时出现错误。
对中台的作用就是通过旋转侧移，完成实际板料与预设板料位置的完全对应。对中台共分三层：第一层可以实现两侧单独旋转；第二层可以实现两侧单独侧移；第三层可以实现整体旋转。对中台有自己独自的轨道，其进出的准确控制，由一个激光测距仪完成。
高速拆垛机械手主要作用为上料用，可以拾取两侧板料小车上的料板。单侧拾取板料时，另一侧的安全保护栅榄升起。由两个伺服电机驱动其完成Y轴，横向运动；Z轴，竖直运动，拾取板料。
Robofeeder1主要功能为：将对中台上调整好位置的板料放入第一台压机模腔内。其由四个伺服电机驱动：Y轴传送运动；U轴手臂直线运动；B轴手臂旋转运动；A 轴端拾器杆旋转运动。
Robofeeder2的主要功能是把第一台压机模腔内已经压好的板料放入第二台压机模腔内，其由四个伺服电机驱动：Y轴传送运动；U轴手臂直线运动；B轴手臂旋转运动；A轴端拾器杆旋转运动。Robofeeder3、Robofeeder4的作用与Robofeeder2类似。Robofeeder5主要功能为：将冲压好的零件放到传送带上，其由四个伺服电机驱动：Y 轴传送运动；U轴手臂直线运动；B轴手臂旋转运动；A轴端拾器杆旋转运动。3套皮带机同物流方向垂直布置，速度可调。Robofeeder5将压好的零件放到中间皮带机上，中间皮带机可以正反转，从而将零件交替放到两侧的皮带机上。
2.2冲压自动化电气构成
电气控制采用PLC控制，GUDEL的PC控制器是以WINDOWS和PC软PLC为基础，控制器和各轴的运动控制是以完全数字化概念和矢量控制的交流伺服电机为基础的。整线控制器带触摸屏操作面板，提供数据显示和循环运行状态以及故障诊断。模具参数设定和存储在硬盘上进行。每一套快速送料机械手自带一个示教器。所有电器接线和电器元件遵照VDE/EN标准。
2.2.1电气硬件组成
运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的运动控制系统主要由上位机、运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成。
冲压自动化电气控制硬件系统，控制器共由9台倍服工控机和一台AB公司的GUARDLOGIX PLC组成。9台工控机中，Line Supervisor作为上位机，Line Master 作为Robofeeder1—Robofeeder5的运动控制器，Destacker作为线头控制器，Scannerzuo 作为扫描仪控制器，控制器之间通过以太网进行通讯，控制器通过光纤信号控制伺服驱动器，机械手每个轴都有各自对应的驱动器，驱动器通过动力电缆和信号电缆直接驱动伺服电机的位置、速度和转动方向。电动机末端安装有编码器，计量电机运转速度和位置，并反馈给驱动器和控制器。
两套双料检测开关用于板料的输送，一套装在M1皮带机上通过接触检测。由气缸推动开关接触板料进行检测。另外一套装在扫描仪机架上对板料进行动态检测。
工控机驱动器
执行机构伺服电机电缆
2.2.2电气软件控制
机械手运动编程与控制软件为Twintat系统。
整线网络中，上位机Line Supervisor与GUARDLOGIX PLC共同完成安全任务，把自动化线所有安全盒，安全模块，急停按钮，光栅等通过总线方式串在一起形成设备网。GUARDLOGIX PLC编程与控制软件为Rockwell Software。
1.标准的Windows NT 4.0操作系统
?IEC 1131－3PLC国际标准，涵盖五种常用编程语言，功能强，操作容易。不必
购买专用编程软件即可实现在PC机上操作PLC的梦想
?控制分布式I/O，支持各种现场总线标准
?可通过OCX接口用VB、VC等开发上层管理软件或与其他工业管理软件集成，产生动态显示、报表统计、历史趋势图等，改善质量监控和车间管理。
2.多任务实时控制，具有强大的功能
TwinCAT可对PLC，PID，I/O，CNC轴位控制及用户需要完成的特殊任务进行多任务的时间安排，并且在一台PC机上可同时运行多个逻辑PLC，每个任务独立运行，互不干扰。TwinCAT系统的分辩率为100微秒。
TwinCAT系统的构成：
TwinCAT系统由实时服务器(Realtime Server),系统控制器(System Control)系统OCX接口，系统工具箱(System Toolbox), PLC系统，CNC系统，输入输出系统(I/O System),用户应用软件开发系统(User Appl)自动化设备规范接口(ADS-Interface) 及自动化信息路由器(AMS Router)等组成。现对各个部分分述如下：实时服务器TwinCAT实时服务器的主要功能是确保实时自动化任务与WindowsNT操作系统同时运行，使Windows NT下的实时部分充分利用PC机处理器的有效能力独立运行。系统控制器：TwinCAT系统控制器负责对系统进行组态，对单个任务作必要的适应性配置。在PC机上装载实时任务应遵守下列特殊规则：确保基本的Windows 任务正常运行；可对实时容量进行调节；保证Windows NT的功能不受影响并保持待用状态提供进一步的安全机制。
TWinCAT PLC是一个完整的用于逻辑控制器的开发系统。TWinCAT PLC具有功能强的语言结构，符合IEC国际标准。这些使你易于进行程序的开发。就像Visual C++一样，具有高级语言编程系统的开发环境，可为编辑器的操作和调试功能设置模式。
AB PLC系统组成:
在此系统中,主要使用的软件有:
RSLink----主要实现系统的网络通信
RS Logix5000----主要对可编程控制器进行编程
RS Networx-----主要实现系统的监视和控制
3、机械手关键技术
3.1控制器通讯网络
与压力机的双层网络相比，自动化集成的网络更加复杂，这不仅仅表现在网络节点的增加，另外以太网部分增加了“双道”传输的这样一种模式。
以太网好比一条高速公路，如果大货车和小轿车在同一个车道上行走，或多或少会造成交通堵塞，因此引入“双道”的理念。“快车道”为Realtime Ethernet，“慢车道”为TCP/IP Ethernet。
怎样确定信号在哪个通道传输？
变量标签
●生产类型
●消费类型
●基本型
整线网络布局：
IP地址分配：
安全设备网网络：
在设备网网络中，串入的是固定在防护栏上的安全标准柜。设备网是一种低成本的通讯总线。它将工业设备（如：限位开关，光电传感器，阀组，变频驱动器，操作员接口）等连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互联性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。
3.2闭环伺服控制
在运动控制结构中，上位机进行系统管理、任务协调和人机交互，运动控制器的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑/数学运算，将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到驱动器中，为电动机驱动装置提供正确的控制信号。驱动器进行功率变换，并驱动电动机按照控制指令转动。电动机一般为步进电动机、数字式交流伺服电动机和直流伺服电动机等。执行机构为机械运动部件，包括传动部件和导向部件，实现所规划的位置、速度和加速度运动。反馈装置将检测到的速度或位置反馈到驱动器或控制器中，构成半闭环或全闭环控制，其检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺、磁尺及激光干涉仪等。
冲压机械手闭环伺服控制简图
I PC&Servo BK
LM LS
Teach
Servo
参考文献
[1]薛胜智.机械手在冲压自动化生产中的研究与应用[M].芜湖:奇瑞汽车规划设计院，1999．
[2]王鹏举.冲压生产线上下料机械手自动化设计[J].同济大学中德学院，2003.
[3]张远波、陈传强.自动化网络布置，电气培训教材[C].上汽通用五菱青岛分公司，2008.
[4]武刚.PLC配置培训教材[C].上汽通用五菱青岛分公司，2009
致谢
经过几个月的努力，毕业设计终于完成了。在此次毕业设计中我不但巩固了已学过的机械设计方面的基础知识，而且开阔了眼界，接触到了社会的生产实践领域，亲身体验了理论与实践的区别与联系，并从中学到了不少的知识，获益匪浅。而此次毕业设计的顺利完成，除了自己本身的努力之外，我觉得更加离不开老师和同学们的帮助。
在这次毕业设计当中，在老师的悉心指导下，我的毕业设计得以顺利地完成，除此之外同时还得到了很多同学的帮助。在设计过程中老师不只是教我们如何学习知识，更加注意培养我们各方面的素质，比如对事物的总体把握能力，创新能力，发散性思维能力以及治学的严谨态度。在毕业设计中老师对我们耐心指导，悉心帮助，还提出了许多非常好的建议，令我获益匪浅。老师理论知识丰富，更重要的是有我们不具有的实践经验，常常在我们遇到困难的时候给与及时准确的指导，犹如一盏明灯点亮了漆黑的夜空，指引我们前进的道路。老师常与我们进行讨论，应该如何设计、如何思考问题，以此开发我们的思路，对于很多棘手的问题，也在老师的指导下一一解决。从老师的身上，我们不但学到了科学文化知识，更重要的是学习到了研究问题、解决问题的方法，以及对做学问所应具有的认真严谨、活学活用的态度。
谢谢这些指导我学习、设计、实习的专业老师，在专业方面而言，是他们引领我走出了第一步，让我们对机械设计这一行业有了最初的认识及进一步的了解。我觉得此次毕业设计的工作量很大，对个人能力的考察更有意义，这次设计让我受益非浅，给我感觉最深的一点就是机械设计的实用性。通过本次设计使自己有一个综合性的提高,达到了本次的设计目的。
我首先要感学校给予了我提升个人能力的这样一个学习平台；再者，我要真诚地感谢所有老师，正是在他们精心的培养、指导、无私的关怀与帮助下，促使我顺利完成了学业。在此诚挚地道一声：恩师，谢谢！