基于网络控制的多工位真空成型机的研究与开发

1基于网络控制的多工位真空成型机的研究与开发ResearchandDevelopmentofmulti-stationvacuumthermoformingmachineBasedonNetwork-control高宗贵张建国(中国扬子集团滁州装备模具制造有限公司安徽滁州239064)）摘要：研究并开发了一种集网络控制、气压比例吸泡及脱模控制、液压比例控制、伺服控制等先进技术于一体的现代化集成制造系统---多工位真空成型机，可广泛用于火车内饰件、汽车内饰件和冰箱（柜）内胆的批量生产。关键词：网络控制比例吸泡及脱模液压比例控制伺服控制多工位真空成型机Abstract:Thisarticleresearchedanddevelopedamoderncomplexmanufacturesystem----multi-stationvacuumthermoformingmachine,whichiscombinedwithmoreadvancedtechnologies,suchasnetwork-control、pneumatic-proportion-suckedblowing、hydraulic-proportion-controlandservo-control…etc.Itiswidelyusedformanufacturingtraininnerdecoration、carinnerdecorationandrefrigeratorinnerlinerinlargequantity.Keywords:network-control,servo-control,pneumatic-proportion-suckedblowing,hydraulic-proportion-control,multi-stationvacuumthermoformingmachine0引言随着世界制造业的转移，中国现已成为全球汽车、家电产品的制造基地。真空成型机是生产火车内饰件、汽车内饰件和冰箱（柜）内胆等产品的重要设备。目前，我国的生产企业仍采用自动化程度较低的单工位、三工位、四工位真空成型机，在这些设备中：控制操作界面采用按钮或专用参数单元，连线繁杂，故障率高，且产品参数不能储存和拷贝，人机对话智能化差；加热系统采用大分区温控表直接反馈控制，温控性能差；运动控制采用气动或液压常规控制，震动剧烈，影响产品质量。同时，该类设备更换一次模具需要耗时3-4小时，严重制约了企业生产效率，无法适应市场需求。我们在消化、吸收国外先进的真空成型设备技术，并结合多年来积累的设计制造经验，开发设计了一种集网络控制、气压比例吸泡及脱模控制、液压比例控制、伺服控制等先进技术于一体的现代化集成制造系统---多工位真空成型机，它实现了火车内饰件、汽车内饰件和冰箱（柜）内胆一次成型生产的自动化、柔性化、精密化，同时也实现了生产控制的智能化、数字化、产成品的优质、高效等全局优化的生产过程。本多工位真空成型机的开发成功将有重要的经济价值和广阔的应用前景。21多工位真空成型机的整体结构及工作原理本设备主要由机械部分、电气控制系统、液压系统、气动及真空系统、水循环系统和润滑系统等部分组成。设备机械总装图如图1-1所示。图1—1多工位真空成型机机械总装图工作原理简述为：把堆放整齐的料片置于堆料小车上，进入上料工位；吸盘下降开始上料，上料到位后，接料对中装置接料并定位，输送夹钳夹住料片；在电机驱动下夹钳将料片按节拍输送到预热→加热→成型工位，然后台面板上升，吸泡仓下降，开始吸泡，成型模具上升，抽真空成型，成型结束后再由夹钳将内饰件或内胆送到旋转输送车上，通过旋转输送车送到切边机处，依次剪切内饰件或内胆四边；内饰件或内胆切边结束后，下料机械手将内饰件或内胆送到下料皮带线上，完成一个工作循环。详见图1-2系统控制框图。3图1-2系统控制框图工控机（参数设定、监控、通讯）成型控制（PLC1）上料控制预热控制加热控制成型控制切边控制、下料机（PLC2）伺服电机保证将产品送到剪板机作四面切边，每次送料位置由工控机给定根据长度、宽度变化放置板料在平台板料输送到位板材夹紧吸盘下降上加热板下降下加热板上升吸料吹压缩吸盘架上升水平运动到对中释放板料侧推到位侧推回位厚度检测，是否重料？顶升到位夹料机械手夹料输送加热板预加热上加热板上升根据工控机设定加热参数对加热板进行控温红外控测装置垂料检测时间控制下加热板下降板料松开夹料机械手夹料输送否是消除重料输板车前进减速台面板上升吸泡仓下降模具上升吸泡动作吸泡仓第一次消真空吸泡时间到结束到减速位模具抽真空消真空控制吸泡仓正压辅助成型控制结束吸泡仓2次消真空吸泡仓升辅助风机仓口打开控制风机冷却控制吸泡升到位比例阀脱模吹气模具导块脱模模具下降由下料机械手送料结束42多工位真空成型机各主要部分的结构及说明2.1机械部分本设备的机械部分主要由自动上料机、板料输送部分、预热部分、加热部分、成型部分、旋转输送车+切边机、自动下料机等部分组成。(1)自动上料机自动上料机设置两个（左右）堆料装置及两次对中装置，左右两个堆料装置能够满足快速上料，即一边生产，另一边可完成上料。两次对中装置可满足料片精确对中，保证料片随后的输送流畅。(2)板料输送部分输送部分采用四组夹钳机构。每组夹钳机构由上下两块夹料板组成，下夹料板上设有若干夹料钉，并在气缸的作用下向上翻转并夹住板料，其机械结构截面如图2-1所示图2-1夹钳机构机械结构截面图四组夹钳机构相互串联，通过齿轮齿条机构，在变频带抱闸电机减速机的驱动下输送板料；在夹钳机构的周围还采用循环冷水系统进行强制冷却，以确保机构要高温环境下不产生变形，这些新颖合理的结构均有效保证了：夹钳机构夹料牢固可靠，并有效防止掉料现象。另外，由变频带抱闸电机减速机驱动，由编码器测定输送距离的设计。彻底改变了传统链条输送不稳定、不精确和易磨损的缺点。（3）预热部分、加热部分预热部分、加热部分由钢结构架体、上加热板组件、下加热板组件以及加热板运动的导轨组成。由一台S7-300CPU完成对整机预热和加热的控制，其控制界面图如图2-2所示。加热板的通断百分比通过工控机预先设置并根据实际加以修改，从而实现对加热板通断百分比及加热5时间的比例控制，而且每块加热板均可单独控制，方便了不同产品的调节。图2-2S7-300CPU对整机预热和加热控制界面图（4）成型部分本设备的成型部分主要由顶架、吸泡仓、台面板升降架、下模架、自动快速换模装置等部分组成，其机械结构如图2-3所示。图2-3成型部分机械结构图6在此真空成型技术装备的核心单元中，我们在消化、吸收国外先进技术的基础上，进行了深入的研究和创新。主要开发设计了自动快速换模装置、气压比例吸泡及脱模控制、液压比例控制等先进技术，具体表述如下：①自动快速换模装置自动快速换模装置包括真空成型机成型线前部的两台换模小车和成型箱内均匀排布的两列滚珠组件。需更换模具时，打开成型箱门并将待换模具（包括模具台面板）推到成型箱内下模台上，再将程序调至换模状态，系统即自动开始执行并完成换模，整个过程仅需约15分钟。③采用比例吸泡与比例脱模技术。为了保证产品（最大成型面积2005mm×1005mm）的质量，设计采用了比例吸泡与比例脱模的组合控制技术。吸泡和脱模气压均由比例压力阀控制，比例压力阀的参数可根据产品的不同进行调整，由电控系统任意设置，并在显示器上显示。这样不仅重复精度高，而且能实现无级可调，以满足产品的成型及脱模要求。④液压比例控制技术。对于密封箱及下模架的运动，系统采用液压比例流量阀来控制相应液压缸的换向及速度。这样使系统元件大大减少，结构简单，调试方便，而且液压缸加减速任意可调，使密封箱和下模架运动平稳无冲击，并能保证较高的重复精度，从而保证了整体运行的稳定，提高了产品的合格率，比例流量阀的输入参数由工控机设定并显示；同时其运动位置的检测采用接近开关组件，在调整范围内任意位置均可以测定。（5）旋转输送车+切边机成型后的内饰件或内胆由输送机构将其送至旋转输送车上，然后送至切边机，依次对四边进行剪切（由配置的高精度间歇分割器实现90度的旋转）。旋转输送车的运行采用英国CT伺服控制技术，该伺服系统采用组态王软件，技术先进，能够高速、稳定、精确地完成内饰件或内胆四边的输送定位。其机械结构如图2-4所示。7图2-4旋转输送车+切边机机械结构图（6）自动下料机自动下料机主要由架体、导轨、下料机械手和下料皮带线等组成，内饰件或内胆四边经切边机剪切结束后，由下料机械手传送至下料皮带线上，再通过皮带线输送到成品区。2.2电气控制系统电气控制系统采用目前最先进的控制技术。包括气动、液压元件的模拟量输入、输出控制，电机的伺服控制，温度的实时控制以及系统的网络控制。通过对现场各控制元器件的数据量和状态量采集与给定，计算机网络系统完成对现场的实时监控。（1）系统的网络控制本系统共有360个输入信号，700个元器件需要控制，结合工艺特点，我们应用MPI及PROFIBUS-DP两层网络控制。最上端采用MPI网络，包括2台PLC以及1台工控机之间的数据交换，即：PLC之间通过GD数据包交换数据，每台PLC与工控机之间通过CP5611板卡交换数据，实现工控机的实时监控；面向现场的每台PLC采用PROFIBUS-DP网络连接了分布在现场ET200B和ET200L子站以及带DP口的伺服控制器，根据需要灵活放置，相互通讯只需要2芯线，这种结构具有抗干扰性强、配置灵活、控制简洁的特点。工控机为整个系统的控制中心，本次界面设计更具人性化，界面提供操作员登录、参数设置、报警、工艺动态流程显示、配方管理、用户权限管理等多种操作功能，系统网络配置图如图2-5图2-5系统网络配置图8（2）电气控制技术要点a、模具抽真空及脱模吹气阀的控制:由传感器、测量单元、执行机构构成一个完整的闭环系统（如图2-6），执行机构为DC24V电机,通过电机正反转控制阀的流量。图2-6执行机构控制闭环图b、根据真空成型机工艺对加热的要求，即：加热面分区控制要求精度高、区域小、可调性强，系统加热控制采用自行研究的集成电路板通过扫描巡回检测方法，完成每块加热板的温度控制。每块集成电路板与PLC连接控制8块加热板，每个加热板（温控区）导通率（加热功率）在工控机上独立可调，由测温仪检测参考点温度，从而实现400个温区温度的独立调整和控制。在节能和电网保护方面：加热采用上下两部分，加热趋势为一个正弦、一个余弦处理，其优点在于加热起动后，电网电流变化小，电气元件在电网中的冲击也小，损耗减小c、带DP卡的伺服控制器以PROFIBUS总线与系统连接，用于切边工位的箱胆四边定位控制。本系统应用的CT伺服具有可开发性强的特点，通过对伺服控制智能模块的应用程序的编制实现伺服定位功能。2.3液压系统主要包括液压站、各种相应的控制阀以及管路系统等组成。其液压系统原理如图2-7所示。图2-7液压系统原理图现场传感器模拟量输入模块采集数据程序执行工控机设定数据A/D输出模块D/A判断执行机构反馈值92.4气动及真空系统气动系统主要由过滤器、减压阀、油雾器等气源处理元件以及控制成型过程中的控制脱模和压空的各种气控截止阀、比例阀和常规阀以及气动管路系统等组成。成型过程中的脱模控制采用比例阀进行比例控制，使得脱模速度获得连续比例可调，以取得较好的脱模效果。真空系统采用挡板阀和节流阀来实现快慢速的转换，其速度可以调节。真空泵和真空罐的组合，减小了真空泵的功率，能耗低。2.5水循环系统水循环系统主要包括给模具加热的热水循环系统和给板料周边的夹料装置、液压站等冷却的冷水系统。热水循环系统的热水由模温机提供，加热温度由模温机直接控制。模温机组总功率约33.5KW；冷水系统的冷却水由冷水机组提供，冷水机组由2台制冷量约68000kcal/h的制冷机及水泵、水箱等组成。冷却水管路采用不锈钢材料。2.6润滑系统采用由电动润滑泵、递进式分配器及相应软硬管路等部分组成的递进式（PRG）集中润滑系统（选用南京贝奇尔公司产品）。集中润滑的使用可