Вопросы для самоподготовки:

1. Дайте характеристику электрооборудования винтовых прессов?

2. В чем заключаются особенности электрооборудования приводных пневматических молотов?

3. Охарактеризуйте электрооборудование ковочных вальцов?

4. В чем заключается сущность процесса электровысадки и особенности электросхем управления электровысадочными машинами?

Лекция 15. Электрооборудование автоматических линий кузнечно-штамповочных машин

Теоретические вопросы:

15.1. Автоматизированные линии

15.2. Электрооборудование средств автоматизации

15.3. Промышленные роботы

15.1. Автоматизированные линии

Производственные машины, осуществляющие однородную обработку и автоматически передающие друг другу деталь, образуют автоматическую линию. Автоматическую линию из режущих станков и кузнечно-штамповочных машин часто называют автоматическим цехом, или заводом-автоматом (рис. 67).

Автоматические линии обеспечивают резкое повышение производительности труда, высокое качество продукции и во многих случаях значительное снижение его стоимости.

Производственные машины, входящие в состав автоматической линии, могут быть автоматизированы любыми средствами: механическими, электрическими, гидравлическими или пневматическими. Управление работой всех агрегатов автоматической линии и согласование их действия выполняются средствами электроавтоматики.

С ее помощью достаточно просто решаются задачи объединения различных машин, расположенных по-разному и на значительном расстоянии. Решение такой задачи механическими или гидравлическими средствами в большинстве случаев оказывается неприемлимым.

а)	б)
в)	г)

Рис. 67. Оборудование автоматических линий и заводов

Автоматические линии, кроме многопозиционных машин-автоматов, имеют транспортеры и разнообразные по конструктивному исполнению и назначению промышленные роботы.

Для управления автоматической линией используют ту же аппаратуру и те же принципы построения схем, что и для управления отдельными производственными машинами. Основной формой управления функции пути, так как в любой момент времени необходимо контролировать взаимное положение деталей и инструментов. Управление строят так, что команда на последующее перемещение подается только тогда, когда закончено предыдущее.

Промежуток между подачей двух соседних команд называют тактом линии. Комплекс тактов, нужных для обработки детали, называют циклом линии.

Основным оборудованием автоматических линий могут быть механические пресса, оснащенные средствами автоматизации (рис. 68).

Рис. 68. Кривошипный горячештамповочный пресс с грейферной подачей

15.2. Электрооборудование средств автоматизации

С конструктивной точки зрения автоматические линии состоят из ряда самостоятельных единиц оборудования, которые располагаются в технологической последовательности изготовления необходимых изделий поковок согласно своему назначению. Так, например, в автоматическую линию на базе кривошипного горячештамповочного пресса входят следующие устройства:

Индуктор выдает поштучно с заданным темпом нагретые до заданной температуры заготовки, которые затем передаются на загрузчик заготовок.

Загрузчик заготовок, установленный у левой стойки горячештамповочного пресса, осуществляет захват заготовки, ее перенос и укладку на первую позицию штампового блока пресса.

Рис. 69. Загрузчик заготовок

Пресс производит штамповку поковок в штампе согласно технологическим переходам при полностью раскрытых балках грейферной подачи (во время возврата их в исходное левое положение).

Распыляющие форсунки установки технологической смазки расположены на передней и задней балках грейферной подачи и производят сдув окалины и смазку штамповочных ручьев во время переноса поковки захватами грейферной подачи.

Захваты грейферной подачи осуществляют перенос поковки по четырем позициям штамповки согласно технологическому процессу, чередуя переносы поковок на последующую позицию с ходом ползуна пресса, а также осуществляет выгрузку поковок на транспортер.

Корпуса грейферной подачи монтируются на левой и правой стойках станины пресса и связаны между собой грейферными линейками (балками) с парными захватами (рис. 70).

Губки захватов проектируются и изготавливаются Поставщиком при участии Заказчика и их конфигурация уточняется в зависимости от технологического процесса штамповки каждого типоразмера поковки.

а)	б)
в)	г)

Рис. 70. Линейки (а, б и в) и привод подачи грейферной (г)

Устройство для смены инструмента устанавливается на левой стойке пресса и предназначено для съема передней (и при необходимости задней) балки грейферной подачи и для облегчения монтажа (демонтажа) штамповых вставок из штампа при мелком ремонте и переналадке штампа (без выкатывания всего штампового блока).

Рис. 71. Устройство для смены инструмента (механическая рука)

Транспортер для выкатки штампового блока установлен на специальной раме с фронта пресса и служит для быстрой смены штампового блока при переналадке линии на другой вид поковки.

Кантователь осуществляет разборку штампового блока для замены штампового инструмента заключающейся в съеме верхней половины штампа с направляющих колонок, кантовку на 180 и ее опускание вниз на специальную подставку.

Гидравлическая станция расположена сзади справа от пресса и предназначена для обеспечения работы верхнего и нижнего выталкивателей пресса, гидромотора транспортера для выкатки штампового блока, гидроцилиндров подъема штампового блока, устройства для смены инструмента, и гидравлических зажимов верхней и нижней половины штампового блока.

Станции жидкой и густой смазки расположены сзади слева от пресса и служат для смазки узлов и механизмов пресса с заданным количеством подаваемого смазочного материала и числом циклов.

а)	б)

Рис. 72. Электрооборудование гидравлической станции

Электрошкафы и пульт управления комплексом устанавливаются в зависимости от планировки цеха.

Для общего управления линией в настоящее время широко применяются командоконтроллеры различных фирм-производителей. Электродвигатель главного привода оснащается частотным преобразователем. На прессах производства ЗАО «Тяжмехпресс» устанавливают командоаппараты фирмы «Balluff», измерители усилия – фирмы HBM.

Система управления муфты-тормоза выполнена по двухканальной схеме: один канал управления от командоконтроллера, второй - от реле. В комплект линии должны входить также программатор (фирмы «Siemens» или аналогичный) и кабельная разводка для внешних подключений (между шкафами, пультами, прессом и т. д.). Программное обеспечение автоматической линией позволяет выполнять следующие функции управления, диагностики и статистики:

- безопасное взаимодействие механизмов между собой;

- жесткую циклограмму автоматической работы оборудования линии;

- отображение на панели оператора текущих состояний пресса;

- отображение неисправностей пресса с кратким указанием на их причины на панели оператора;

- контроль усилия пресса;

- контроль температуры подшипников пресса в течение рабочей смены.

Весьма часто перечисленные вспомогательные устройства имеют гидравлический или пневматический привод, иногда имеется непосредственная механическая связь между вспомогательным устройством пресса и самим прессом. Однако это усложняет кинематические связи и затрудняет регулировку. Поэтому в ряде случаев вспомогательные устройства имеют самостоятельный электропривод, который должен быть электрически сблокирован с прессом. Двигатели подач, поворотных столов или каретки работают в повторно-кратковременном режиме работы. Мощность двигателей выбирается исходя из пусковых условий с учетом повышения коэффициента трения в начальный момент и явления прилипания, которое создает усилие, противодействующее движению

, (15.1)

где  – удельное усилие прилипания, Н/мм²;

S_ПР – площадь взаимного прилегания трущихся поверхностей, мм².

Часто для привода вспомогательных устройств наиболее целесообразным оказывается применение асинхронных двигателей с повышенным пусковым моментом.

В современных механических прессах, входящих в состав автоматизированных линий, могут использоваться как индуктивные, так и ультразвуковые датчики.

Индуктивные датчики (рис. 73) предназначены для обнаружения появления предметов из ферромагнитных материалов бесконтактным способом и могут иметь различные конструктивные исполнения:

1. цилиндрические с подключением к цифровому интерфейсу через специальный соединитель;

2) кубические с подключением к цифровому интерфейсу через специальный соединитель.

Ультразвуковые датчики (рис. 74) оснащены встроенным цифровым интерфейсом и позволяют осуществлять бесконтактную фиксацию появления различных предметов в трех контролируемых зонах, способны формировать сигнал тревоги, оснащены дополнительным выходом синхронизации, не связанным с цифровым интерфейсом. Все датчики имеют светодиодную индикацию наличия предметов в контролируемых зонах, оснащены устройством температурной компенсации.

Датчики получают питание от цифрового интерфейса и позволяют производить настройку:

Рис. 73. Внешний вид индуктивных датчиков

Рис. 74. Внешний вид ультразвуковых датчиков

Управление автоматическими линиями строят на основе программируемых промышленных контроллеров (рис. ). Архитектуру контроллера можно представить следующим образом. Имеются входные порты (устройства ввода сигналов), арифметико-логическое устройство (АЛУ) с однобитовым аккумулятором, выходные порты, 8 таймеров, 16 счетчиков, 16 регистров и 256 флагов.

Регистры служат для временного хранения чисел или кодов, а также для пересылки данных между программами. Флаги необходимы для хранения результатов логических операций и используются при организации шаговых алгоритмов с множеством состояний и т.д.

По своей структуре контроллер представляет собой классическую микро-ЭВМ на основе микропроцессора и представляет собой комплекс конструктивно независимых блоков, которые бывают двух видов – центральные (содержат микро-ЭВМ и средства связи) и блоки ввода/вывода (дополняющие центральные).

Блоки связываются между собой посредством так называемой ШИНЫ – набора проводников, пронизывающих весь контроллер. Каждый блок посредством разъема подсоединяется к шине и становится доступным контроллеру. Для определения блока, к которому в данный момент обращается центральный блок, все блоки получают свои индивидуальные номера в пределах 0…7. При этом необходимо, чтобы в контроллере был центральный блок с номером 0.

Необходимое количество и тип входов и выходов обеспечивается установкой требуемых типов блоков ввода/вывода, а также Вставляемых Специализированных Модулей в центральные блоки, которых в системе может быть до 6.

С внешним миром контроллер связывается посредством набора входов (I) и выходов (O) различных типов. Все входы и выходы блоков нумеруются позиционным кодом, состоящим из номера блока и через точку - номера входа/выхода. Входы центрального блока особо быстродействующие, без гальванической защиты, но нумеруются аналогично.

С точки зрения разработчика контроллер представляет собой совокупность квазипараллельно работающих виртуальных процессов, выполняющих каждый свою программу, написанных на различных языках программирования.

Описанная выше архитектура контроллеров может реализоваться за счет использования внутренней памяти контроллера, которая состоит из оперативной памяти (RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) и постоянной памяти (ROM – Read Only Memory – память только для чтения).

Память RAM предназначена для хранения переменных значений в процесс управления, а также программ управления в процессе их отладки. Характерной чертой такой памяти является стирание содержимого в случае отсутствия питания. Для сохранения информации используют малогабаритные литиевые батареи, позволяющие отключать основное питание на срок до 1 года.

Память ROM используется для хранения уде отлаженных программ и данных на рабочем контроллере. Она бывает трех видов:

- зашиваемая при изготовлении (ПЗУ, ROM);

- с электрическим стиранием и записью (ЭППЗУ, EAROM, EEPROM);

- со стиранием ультрафиолетовым светом (УФППЗУ, EPROM).

Помимо реализации функций непосредственного управления КШМ, контроллеры с помощью специализированных подпрограмм могут выполнять функции диагностики, находящиеся на уровне программируемого логического контроллера (ПЛК) с программатором (рис. 75) и осуществлять контроль значений следующих параметров:

• технологической силы Р=Р(х) с сопоставлением зарегистрированного значения с данными паспорта по допустимой величине, в зависимости от положения ползуна, а также подсчет нагружений в определенных интервалах технологических сил;

Рис. 75. Программатор программируемых контроллеров

• работы деформирования с сопоставлением зарегистрированного значения с данными паспорта по допустимой работе в зависимости от режима работы пресса;

• силы выталкивания поковки из нижнего штампа с выдачей сигнала по регулируемому порогу значений;

• температуры подшипников, штампов, масла с выдачей сигнала по достижении пороговых значений;

• давления в ресивере, подушках, в механизме уравновешивателя ползуна с выдачей сигнала по пороговым значениям;

• состояния уплотнения нижнего пневматического выталкивателя, в муфте, в тормозе по времени между подачей команды на соответствующий привод и ее исполнением;

• перегрузки двигателя механизма регулирования закрытой высоты с помощью фиксации скорости;

• угловой скорости маховика с фиксацией нулевой и пороговой скоростей;

• угла поворота (положения) эксцентрикового вала, торможения (угла поворота эксцентрикового вала при срабатывании механизма тормоза);

• снижения угловой скорости маховика в течение цикла пресса, настройки командоаппарата, углового перемещения тормоза, муфты, блокировки муфты - тормоза, работы системы подачи смазки в узлы пресса, параметров работы главного двигателя, состояния изоляции в индукторе.

15.3. Промышленные роботы

Использование промышленных роботов и управляющих ЭВМ позволяет перейти от автоматизации отдельных линий к автоматизации цехов – от автоматизации по линии к автоматизации по площади. Роботы в настоящее времени различаются грузоподъемностью и архитектурой системы управления. По грузоподъемности роботы классифицируют следующим образом:

а) малой грузоподъемности (рис. 76 а);

б) низкой грузоподъемности (рис. 76 б);

в) средней грузоподъемности (рис. 76 в);

г) высокой грузоподъемности (рис. 76 г);

д) сверхвысокой грузоподъемности (рис. 76 д);

При этом роботы достаточно эффективно применяют для выполнения погрузочно-разгрузочных операций, транспортировке деталей и узлов на мехобработку, при сборке, консервации и т.д. Промышленные роботы для выполнения этих операций состоят из

1) рабочих органов – «руки» с приводами, а иногда и органы перемещения в пространстве;

2) управляющую систему или вычислительную машину с памятью, осуществляющая групповое управление несколькими роботами, снабженными более простыми индивидуальными управляющими устройствами;

3) комплекса датчиков состояния внешней среды, а также датчиков рабочих органов робота.

а)	б)	д)
в)	г)

Рис. 76. Общий вид современных промышленных роботов фирмы «Kuka»

Электрооборудование управления промышленными роботами монтируется, аналогично прессам, в отдельно стоящих электрошкафах (рис. 77).

Для обеспечения работы робота необходим комплекс средств общения человека с роботом, необходимых для ввода команд, контроля функционирования и т.п.

Рис. 77. Электрошкаф системы управления промышленным роботом

С этой целью они оснащаются пневматическими системами различного назначения, а приводы робота выполняют гидравлическим.

По методам управления промышленные роботы можно разделить на:

- управляемые от систем числового программного управления;

- с цикловыми системами управления;

- управляемые от ЭВМ.

Системы управления промышленных роботов могут быть разделены на две основные группы:

- работающие по жесткой программе;

- работающие по гибкой программе.

В свою очередь системы управления, работающие по жесткой программе могут быть разделены на:

- цикловые. Нашли применение в промышленных роботах с ограниченным числом точек позиционирования, в которых перемещения подвижных элементов ограничиваются либо конечными выключателями, либо жесткими переналаживаемыми упорами. На рис. 78 показана блок-схема цикловой системы управления промышленного робота.

Рис. 78. Блок-схема цикловой системы управления промышленными роботами

К настоящему времени известны множество схем для реализации цикловых систем управления промышленными роботами, которые содержат следующие электрические аппараты:

- элементы И;

- коммутатор;

- программоносители;

- датчики положения;

- дешифраторы.

Для примера рассмотрим из функциональных схем, показанную на рис. 79. Система содержит первый элемент И – 1, коммутатор кадров – 2, программоносителя - 3, дешифратора 4, элемент ИЛИ – 5, третьи элементы И – 6; приводы 7; датчики положения – 8; вторые элементы И – 9 и инверторы 10.

Рис. 79. Функциональная схема рассматриваемой системы

Рассматриваемая система работает следующим образом. Считывание двоично-кодированного номера положения схвата робота, записанного в кадре коммутатором 2 по сигналу, сформированному в первом элементе И 1.

Код считанного номера положения схвата робота поступает на входы дешифратора 4, с соответствующего входа которого сигнал попадает через элементы ИЛИ 5 на входы соответствующих вторых элементов И 9 и через третьи элементы И на приводы 7, устанавливающие сват робота в требуемое положение.

По приходе схвата робота в требуемое положение по каждой из регулируемых координат разрешающие уровни с датчиков 8 положения поступают через инвертор 10 на вход третьего элемента И 6, закрывая доступ сигналу с элемента ИЛИ 5 на привод 7 и на второй элемент И 9 и с его выхода далее на первый элемент И 1, на выходе которого после прихода разрешающих уровней с датчиков положения 8 всех регулируемых координат вырабатывается сигнал перехода к обработке следующего кадра программы.

- позиционные. Отличаются высокой универсальностью, а также большим, по сравнению с цикловыми системами объемом памяти. Позиционные системы способны обеспечить высокую точность отработки роботом заданной программы, не зависящую от ошибок установки жестких упоров, характерных для цикловых систем;

Выходные сигналы позиционных систем используются для управления следящими приводами робота и, как правило, составляют с ним единое целое, так как через них осуществляется замыкание следящих приводов по цепям обратной связи;

• контурные. Применяются в промышленных роботах, предназначенных для нанесения различных покрытий на корпуса деталей, дуговой сварки, газовой резки по контуру и других работ.

Контурные системы могут строиться на цифровом и аналоговом принципах управления. Блок-схема фазовой контурной системы управления показана на рис. 80.

Рис. 80. Блок-схема фазовой контурной системы управления

- контурно-позиционные.

Приведенная классификация является укрупненной и отражает лишь главную особенность систем управления, связанную с их назначением.

В качестве основы системы управления современными промышленными роботами выбирают микроконтроллер, при выборе которого ориентируются на следующие факторы:

- доступность;

- низкая стоимость;

- высокая надежность;

- наличие встроенной многократно перепрограммируемой Flash-памяти;

- последовательного синхронно-асинхронного приемопередатчика USART;

- высокая производительность;

- простая, но при этом функциональная система программирования;

- наличие документации и бесплатно распространяемого лицензионного программного обеспечения.

Структурная схема системы управления на основе контроллера может выглядеть следующим образом (рис. 81).

Рис. 81. Блок-схема фазовой контурной системы управления

Современные роботы управляются от персональных ЭВМ, на которых устанавливается программное обеспечение следующих классов и назначения

Современные системы управления состоят из следующих основных модулей:

1. пульта программного управления,

2. модуля отработки программ,

3. пульта ручного управления.

Пульт программного управления построен на основе микроконтроллера и включает в себя устройство ввода, редактирования управляющей программы (клавиатура), устройство вывода информации (символьный или графический дисплей). Долговременное хранение программ осуществляется в энергонезависимой памяти контроллера.

Модуль отработки программ так же построен на основе контроллера и выполняет следующие функции: хранение и исполнение управляющей программы, декодирование управляющей программы в управляющие сигналы электроавтоматики пневмоклапанов, контроль исполнения команд программы по сигналам датчиков положения робота. Блок питания предназначен для преобразования сетевого напряжения 220В в напряжения питания электроклапанов и контроллеров – 30В и 5В.

Пульт ручного управления предназначен для непосредственного управления электроклапанами робота.

Стрелками показываются каналы связи между различными модулями: стрелки выходящие из блока питания – подача питающего напряжения к различным модулям системы управления; стрелка входящая в блок питания – подача сетевого напряжения 220 В; двунаправленные стрелки – канал связи USART предназначенный для обмена информацией между контроллерами пульта, модуля отработки программ и внешней ПЭВМ; стрелка выходящая из ПР – канал информации о состоянии датчиков; стрелка входящая в ПР – сигналы управления электроклапанами. Построение системы управления по модульному принципу позволяет в дальнейшем развивать каждый из элементов системы независимо друг от друга, а также допускает эксплуатацию робота и системы управления в следующих основных конфигурациях:

1) использование робота совместно с блоком питания и пультом ручного управления – используется для демонстрации элементарных перемещений исполнительных органов робота, а также для работы в условиях неисправности системы управления.

2) использование робота совместно с блоком питания и модулем отработки программ – отработка программ в автоматическом режиме.

3) использование робота совместно с блоком питания, модулем отработки программ и пультом программного управления – создание, редактирование и исполнения управляющих программ, как в автоматическом, так и пошаговом режиме.

4) использование робота совместно с блоком питания, модулем отработки программ и ПЭВМ – используется также как и в третьем варианте, предоставляя более широкие возможности по созданию, хранению управляющих программ, наблюдению за функционированием ПР. В такой конфигурации возможно объединение нескольких ПР и одной или нескольких ПЭВМ в локальную сеть.

5) работа только с пультом программного управления – просмотр, создание и редактирование управляющих программ.

6) использование пульта программного управления совместно с ПЭВМ – обмен программами, сохранение программ на жестком диске ПЭВМ.

Применяемая в системе управления ПЭВМ оснащается следующим программным обеспечением (Таблица 4).

Таблица 4

Классификация программного обеспечения

Внешний вид	Краткое описание
	Для самых ходовых применений роботов предварительно подготовленные пакеты программного обеспечения упрощают программирование роботов и сокращают время на пуско-наладку.
	Программа Load – инструмент для расчета нагрузки на роботе КУКА и соответственно для выбора подходящего робота для специальной нагрузки

Продолжение таблицы 4

Внешний вид	Краткое описание
	Программа Sim предлагает возможность разрабатывать моделирование запланированной установки. Вместе с тем появляется возможность перед пуско-наладкой проверить, при необходимости оптимизировать и утвердить процессы.
	Наряду с управлением роботом система управления на основе ЭВМ может также брать на себя управление всей производственной ячейкой – при помощи интегрированного контроллера
	Сервер ОРС. В качестве интерфейса программного обеспечения для внешнего доступа к системным и пользовательским переменным сервер ОРС заботится о бесперебойном обмене данными.
	Студия HMI предлагает компоненты для простой и быстрой разработки также комплексных производственных экранов и визуализации ячейки.

Продолжение таблицы 4

Внешний вид	Краткое описание
	Программное обеспечение OfficeLite заботится о том, чтобы имелась возможность совершенно легко программировать весь процесс в режиме offline. Производство между тем идет неограниченно далее, время на переналадку минимальное
	Технология реального времени делает возможным сосуществование рабочих систем реального времени Windows CE или VxWorks с Windows XP/2000 на одной и той же машине
	Conveyor делает возможным синхронизацию программного хода робота (движения, логика и Е/А-обработка) с внешне управляемым конвейером