磨齒機自動上下料機械手控制系統研究與開發*

曾文萱，范圣耀，王學良

(1.無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121;2.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

磨齒機自動上下料機械手控制系統研究與開發*

曾文萱1，范圣耀1，王學良2

(1.無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121;2.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

針對實現磨齒機上下料循環過程的全自動化，以及系統動作快速流暢，穩定可靠的設計要求，對控制系統中的單步運行、狀態監測、參數輸入、控制按鈕以及報警顯示等人機交互界面問題進行了分析。重點研究和開發了控制系統中的時序安排;伺服系統PLC控制;機械手上下料程序和甩油部件程序。最后對實驗調試中的相關步驟和注意事項進行了闡述，值得工程技術人員在上下料機械手控制系統研發時借鑒。

上下料系統;磨齒機;機械手;控制系統

0 引言

機械手自動上下料系統可解放人力資源，減輕勞動強度，實現生產及加工過程的自動化，提高生產效率［1］。控制技術是制約機械手發展的瓶頸，因此實現柔性制造自動化具有實際的應用價值［2］。我國磨齒機自動上下料系統的研究與應用還比較欠缺，目前還沒有比較成熟的產品問世。由于齒輪在潤滑油中進行磨削，齒輪表面有大量的油液，不利于搬運及存儲。因此，磨齒機自動上下料系統既要滿足快速、高精度定位要求，又要具有甩油和輸送等功能。對此要求，對磨齒機上下料機械手的控制系統進行了研究。

1 控制系統總體方案

機械手上下料系統主要有三部分組成:上下料機械手系統、甩油系統以及輸送機系統，如圖1所示。整個工作流程為:上料時，工件運行到工位2處，同時甩油裝置移動到外端，機械手二將工位2處的工件安裝到甩油裝置上，機械手一動作，將甩油裝置上的工件安裝到磨齒機上，然后機械手一回轉90°，防護門關閉，機床開始加工;加工結束卸料時，防護門打開，機械手一將工件放到甩油裝置上，然后甩油芯軸張緊和甩油電機啟動，工件進行甩油，甩油裝置向輸送機方向移動同時輸送機上定位元件放行，工位2處隨行夾具運行到下一工位，工位1處的工件運行到工位2處實現定位，然后經過機械手二完成甩油裝置與輸送機之間的上下料過程。

為了實現上述動作，控制系統由兩部分組成，即人機交互模塊與PLC控制。人機界面通過CX-Designer軟件設計，PLC控制程序通過CX-Program軟件設計，PLC與觸摸屏之間通過RS232實現點對點通信，完成控制功能，如圖2所示。

圖1 機械總體方案示意圖

圖2 機械手上下料控制系統設計流程

2 上下料機械手控制系統設計

2.1 機械手上下料系統人機界面設計

歐姆龍NS系列觸摸屏界面設計主要有背景頁、狀態監測、參數輸入和控制按鈕以及報警顯示。圖3為機械手上下料系統人機界面的總體框架圖，系統的主控界面主要有開機界面、系統自檢、功能選擇、參數設置、單步運行、自動運行和系統報警等幾個界面，實現機械手上下料系統的各種功能。

圖3 機械手上下料系統人機界面示意圖

在界面的設計時，自動運行與手動運行具有互鎖功能。單步運行(如圖4所示)的各個按鈕之間也具有互鎖裝置，依靠傳感信號來實現，即在沒有到位的情況下按后續按鈕是沒有響應的，為確保安全，控制按鈕均采用零時信號，不具備記憶功能［3-4］。

圖4 單步運行界面

參數設置利用NS觸摸屏的數字輸入功能，數據輸入時觸摸屏上會彈出數字鍵盤供用戶使用，并可以設置數據輸入范圍［5］。圖5中點動運行參數是指在系統調試時伺服電機的速度參數，手動/自動參數是指單步及自動運行的伺服電機的速度參數。脈沖數對應位移或者回轉角度，這里與伺服驅動器的電子齒輪比設置有關，確定電子齒輪比以后也可以將其轉化為具體的位移或角度［6］。

圖5 參數設置界面

當設備運行到某一臨界位置點時或在伺服驅動器等設備報警或傳感器失靈等情況，會跳出報警窗口，警示操作人員。報警和時間可以通過注冊進入列表或者通過導入GSV來獲得，圖6是機械手上下料系統注冊的報警信息列表顯示。

圖6 觸摸屏報警設置

2.2 機械手上下料系統控制時序設計

機械手上下料系統的總體結構圖如圖7所示，對于控制時序的設計，首先需要設定初始位置，即兩機械手夾持齒輪時，氣爪與機床磨削齒輪面的高度，以及甩油機構在罩殼外門極限位置。

圖7 機械手上下料系統方案圖

據此，設計確定機械手上下料系統動作時序如圖8所示。

根據以上動作流程，機械手上下料控制系統的PLC控制程序主要有8個任務，即，手1取工件、手1回轉、手1放工件、手2取工件、手2回轉、手2放工件、甩油、機床防護，其中機械手1和機械手2各自的三個動作又可以組成一個大任務完成各自的上下料功能。

圖8 機械手動作時序安排

2.3 伺服系統PLC控制

機械手上下料系統要實現準確的定位，采用位置模式進行控制，即采用脈沖串的形式控制電機。以機械手上下料系統回轉伺服定位為例，控制原理如圖9所示:CP1H-Y20DT-D的CW/CCW脈沖輸出為線驅動形式，最高輸出頻率可達1MHz，上下伺服和回轉伺服都采用增量是編碼器，前者帶抱閘，而后者不帶抱閘。因此對伺服電機的控制則要包含兩方面內容:原點定位和運動控制［5］。

圖9 回轉伺服PLC控制原理圖

2.3.1 原點定位

CP1H系列PLC的脈沖輸出主要有兩種形式，即連續模式(速度控制)和單獨模式(定位模式)。因此零位的確定可以采用連續模式配合零位傳感器來實現，也可以采用CP1H的原點搜索與原點復位功能，即采用接近開關作為電機的限位信號以及原點附近信號，利用編碼器的Z相信號作為準確的零點信號來確定原點。

2.3.2 運動控制

結合CP1H的脈沖輸出指令，位置模式的運動控制可以單獨使用PLS2指令實現電機的T型曲線控制，也可以采用PULS+SPED或者PULS+ACC指令實現電機的定位控制，ACC指令帶有加減速控制，當脈沖數使得電機可以達到設定的目標速度時，為T型曲線，反之，則為三角曲線，因此適用于本機械手的大慣量控制。回轉伺服電機單個動作的控制程序如圖10所示，采用PULS+ACC指令來實現對于伺服電機的定位控制。整個過程分為快速與慢速兩段，運動參數則可根據觸摸屏進行設定。

2.4 機械手上下料程序設計

機械手上下料分為取工件、回轉和放工件三個步驟，流程如圖11所示，上下料和回轉均是依靠伺服電機完成，位移及速度等參數通過觸摸屏設置，氣爪的動作采用兩個電磁閥串接來實現特殊的浮動控制。

2.5 甩油部件程序設計

甩油部件采用氣缸和三相電機作為動力元件，甩油電機采用變頻器控制，其控制信號包括電源開關及啟停信號兩個，氣缸采用電磁閥控制，有油罩上下、甩油張緊和甩油組件移動三個動作，均是采用單輸出的信號。PLC對單輸出信號的控制有兩種方式，一種是通過置位復位命令，當需要啟動的時候，將對應輸出端口置1，當需要停止的時候將其復位置0，另一種是通過輸出信號自鎖來實現，需要運行時，采用觸發信號啟動，然后輸出端口進行自鎖，保持持續輸出，需要停止時，對輸出進行斷開，中斷輸出，本設計采用置位復位指令，各個動作之間通過延時命令來實現［7］。

圖10 回轉控制程序圖

圖11 機械手上下料動作流程圖

3 實驗調試

機械手自動上下料系統是為磨齒機配套的，因此實驗調試是非常重要的環節。實驗調試包括離線和在線兩部分，所謂離線調試，是指機械手上下料系統脫離機床單獨進行的調試，主要是檢驗系統的定位精度是否符合設計要求以及動作的連貫與穩定性等，包括各伺服電機的空載及負載實驗、上下料機械手的取放工件實驗和整個系統的動作穩定性測試。圖12為機械手上下料系統實驗調試實物圖，機床試驗臺作為替代。

圖12 機械手自動上下料系統實驗臺

3.1 伺服電機調試

伺服電機的調試主要分為對于JOG模式調試和手動調試兩部分，JOG模式主要是檢查電機有無故障以及抱閘能否順利打開的測試［8］。如圖13所示，為伺服電機手動參數調整步驟:主要是對電機的三環控制參數進行設定，消除電機振動和快速定位。

圖13 伺服電機參數調整步驟

3.2 系統整體運行調試

該部分的調試是機械手功能的重要部分，主要包含上下料動作調試、回轉原點及終點傳感器安裝調試。在進行動作調試的時候，首先需要將各個工位上的工件取下，進入觸摸屏的單步運行界面，單步運行各個指令，檢驗動作的連貫性及正確性［9-10］。主要調試的指標有以下幾點:①向下運動的起始點統一;②氣爪浮動的有效性;③回轉模塊的重復定位精度;④整體動作的連貫性。

3.3 機械手上下料報警調試

對于一個完整的多傳感檢測的機電系統而言，面對復雜的車間環境，難免會出現傳感器失靈以及其他問題。全面的報警系統不僅可以確保系統的整體安全，又可以提示使用者快速地發現并解決問題。本系統的報警主要是來自于程序以及傳感器的檢測，報警檢測的主要方法是在系統調試模式下，按照錯誤操作來檢測報警信息的可靠性。

4 結束語

綜上所述，本文根據磨齒機機械手自動上下料系統的動作要求對控制系統進行研究和開發。通過PLC控制程序設計和人機交互觸摸屏界面設計，實現了信息的順利交互。對控制系統中的單步運行、狀態監測、參數輸入、控制按鈕以及報警顯示等人機交互界面問題進行了研究和分析。并重點研究和分析了控制系統中的時序按安排;伺服系統PLC控制;機械手上下料程序設計和甩油部件程序設計。最后對實驗調試中的相關步驟和注意事項進行了闡述。為同類或行業內相關上下料機械手控制系統的開發提供技術基礎和有益的借鑒。

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Control System Research and Development of Manipulator for Automatic Loading and Unloading of Gear Grinding Machine

ZENG Wen-xuan1，FAN Sheng-yao1，WANG Xue-liang2
(1.Wuxi Institute of Technology，Wuxi Jiangsu 214121，China;2.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China)

To realize the design requirements of automatic，fast，smooth，stable and reliable loading and unloading cycle of gear grinding machines.In this paper，analysis the problems of man-machine interface such as single step operation，state monitoring，input parameters，control button and alarm display and so on.The control system sequence arrangement，servo system PLC control，automatic loading and unloading system program and jilt oil part program are also researched and designed.At last，the relevant procedures and note of the experimental testing are introduced，worthy of engineers and technicians draw on the research and development of the next cutting robot control system.

loading and unloading system;gear grinding machines;manipulator;control system

TH16

A

1001-2265(2012)11-0071-04

2012-04-19;

2012-09-25

無錫市科技基礎設施項目(CMES0913)

曾文萱(1975—)，女，江西人，無錫職業技術學院講師，工學碩士，研究方向為機電一體化技術，(E-mail):wenxuan_zeng@sina.com。

(編輯 李秀敏)