OTC机器人综合服务商    

钢板弹簧淬火机械手控制系统设计需结合淬火工艺特性（高温环境、快速动作、精度要求）、机械手运动需求（多轴联动、定位准确）及可靠性要求（抗干扰、耐高温），实现自动化上料、定位、淬火、下料全流程。以下是详细设计方案：

一、系统整体需求与工艺分析

1. 工艺流程

钢板弹簧（材质多为 60Si2Mn）淬火流程：上料→加热炉取料→淬火槽定位→浸液淬火（保持时间 t）→提升→下料关键要求：

• 取料 / 放料定位精度≤±2mm（避免碰撞加热炉或淬火槽）；

• 浸液速度可调（通常 500~1000mm/s，防止淬火液飞溅）；

• 浸液时间精确控制（±0.1s，保证淬硬层均匀）；

• 适应高温环境（机械手爪需耐 200℃以上，控制系统远离热源）。

2. 机械手运动轴设计

根据工艺需 3~4 轴联动：

• X 轴：水平移动（跨加热炉与淬火槽，行程 1~3m）；

• Z 轴：垂直升降（取料 / 浸液，行程 0.5~1.5m）；

• 旋转轴（可选）：调整钢板弹簧姿态（如倾斜入水，减少气泡）；

• 夹爪轴：气动 / 电动夹紧（夹持力可调，避免夹伤工件）。

二、硬件系统设计

1. 控制核心

• PLC：选用三菱 FX5U 或西门子 S7-1214C（支持高速脉冲输出、以太网通讯，抗干扰能力强），负责逻辑控制、轴运动指令发送、工艺参数运算。

• HMI：威纶通 10 寸触摸屏（TK6071IP），用于参数设置（如浸液时间、速度）、状态监控（报警、运行步骤）、手动 / 自动切换。

2. 驱动与执行机构

• 伺服系统：X 轴 / Z 轴采用三菱 MR-JE 或台达 ASD-A2 伺服驱动器 + 伺服电机（带绝对值编码器，确保断电记忆位置），功率根据负载选 1.5~3kW。

• 夹爪驱动：气动夹爪 + SMC 电磁阀（响应快，适合高温环境），配压力传感器（检测夹持是否到位）。

• 限位与检测：

• 原点 / 极限限位：X/Z 轴两端装接近开关（NPN 型，DC24V）；

• 工件检测：上料台 / 下料台装漫反射光电传感器（检测是否有料）；

• 温度检测：加热炉出口装红外测温仪（确保工件达到淬火温度，信号接入 PLC 模拟量输入）。

3. 电气回路设计

• 电源：AC380V 主电源→伺服驱动器，DC24V 开关电源→PLC、传感器、电磁阀（功率≥500W，带隔离）。

• 安全回路：急停按钮（常闭）、防护门限位开关串联接入 PLC 安全输入，触发时立即切断伺服使能、关闭夹爪。

• 抗干扰措施：

• 动力线与信号线分开布线（间距≥30cm），伺服线用屏蔽线（屏蔽层单端接地）；

• 电磁阀、接触器线圈两端并续流二极管，减少电磁干扰；

• PLC 输入输出端加浪涌保护器。

三、软件控制系统设计

1. PLC 程序架构（结构化编程）

采用 “主程序 + 功能块（FB）” 设计，核心模块：

• 初始化 FB：系统上电后回原点（X 轴→Z 轴→夹爪），检测传感器状态，异常则报警。

• 手动控制 FB：通过 HMI 按钮控制各轴点动（速度可调）、夹爪开关，用于调试或异常处理。

• 自动流程 FB：按工艺顺序执行：

  plaintext

• 上料检测→X轴移动到加热炉→Z轴下降→夹爪夹紧→Z轴上升→X轴移动到淬火槽→
  Z轴下降（浸液）→计时（t秒）→Z轴上升→X轴移动到下料台→夹爪松开→循环

• 参数处理 FB：存储 / 调用淬火工艺参数（如浸液时间、X/Z 轴速度），支持多配方（不同规格钢板弹簧）。

• 报警 FB：监控限位异常、夹持失败、温度异常等，触发时停止动作并在 HMI 显示报警代码。

2. 轴运动控制

• 定位控制：X/Z 轴采用 PLC 脉冲输出（脉冲 + 方向）或总线控制（如 CC-link IE Field），通过相对定位（如从加热炉到淬火槽移动 X=1500mm）和绝对定位（原点为基准）结合，确保精度。

• 速度规划：启动 / 停止阶段用 S 型加减速（避免工件晃动），浸液阶段用匀速（速度可设，如 800mm/s）。

• 示例代码片段（三菱 FX5U）：

  plaintext

• // Z轴浸液定位（绝对位置Z=500mm，速度800mm/s）
  MOV K500 D100      // 目标位置
  MOV K800 D102      // 速度
  ZRN Z轴原点信号, Z轴正转, Z轴反转  // 回原点（初始化时）
  DRVA D100 D102 Z轴正转, Z轴反转  // 相对定位指令

3. HMI 界面设计

• 主界面：显示当前步骤（上料 / 淬火 / 下料）、各轴位置、工艺参数（实时值）、报警状态。

• 参数设置界面：输入框设置浸液时间（0~10s）、X/Z 轴速度（100~1000mm/s）、夹爪压力，支持保存 / 调用配方。

• 手动操作界面：按钮控制 X+/X-、Z+/Z-、夹爪开 / 关，带速度调节滑块。

• 报警界面：显示报警时间、代码（如 E01 = 夹爪未夹紧，E02=X 轴超限位）及处理建议。

四、安全与可靠性设计

1. 硬件安全：

• 机械手工作区域加装防护栏 + 安全光栅，闯入时立即停机；

• 夹爪配双重传感器（位置 + 压力），确保工件可靠夹持；

• 伺服驱动器设过流 / 过载保护，PLC 掉电保持功能（记录当前步骤，上电后可继续）。

2. 软件安全：

• 自动模式下，各动作前先检测条件（如 X 轴移动前确认 Z 轴已上升到安全高度）；

• 超时保护（如夹爪夹紧指令发出后 2 秒未检测到到位信号，触发报警）；

• 互锁逻辑（X 轴移动时禁止 Z 轴动作，避免机构干涉）。

3. 环境适应：

• 控制柜加装散热风扇（温度≥40℃时启动）；

• 机械手爪采用耐高温材料（如陶瓷涂层），传感器选用 IP67 防护等级。

五、调试与优化要点

1. 轴定位精度校准：通过 HMI 手动移动轴到目标位置，记录误差，在 PLC 中用补偿值修正（如 X 轴实际位置 = 指令位置 + 5mm）。

2. 速度与时间优化：根据钢板弹簧厚度调整浸液速度（厚板需慢浸）和时间（确保心部淬透），通过试淬验证后固化参数。

3. 抗干扰测试：模拟车间强电设备（如电焊机）启动时，观察系统是否误动作，必要时增加滤波器。

总结

该系统通过 PLC + 伺服 + 触摸屏的架构，实现了钢板弹簧淬火的全自动化，核心是高精度定位（保证工艺稳定性）、安全互锁（适应高温工业环境）、参数可配置（兼容多规格产品）。实际应用中需结合具体工件尺寸和产能，优化轴行程、速度及夹爪设计，确保长期可靠运行。