數(shù)控車床氣壓機(jī)械手臂的PLC控制系統(tǒng)

摘 要：以數(shù)控車床的上下料機(jī)械手臂為研究對(duì)象，采用可編程控制器（PLC）對(duì)其氣壓的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行電氣控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化和柔性化。對(duì)系統(tǒng)的工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣壓驅(qū)動(dòng)和PLC控制方案等方面進(jìn)行了較為詳盡的論述。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化上下裝料； PLC； 氣壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2014）08-169-002

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)控加工中心，它在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。但以往數(shù)控加工中常見(jiàn)的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動(dòng)化裝置。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效率比較低；后者因設(shè)計(jì)復(fù)雜，需較多繼電器，接線繁雜，易受車體振動(dòng)干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，我們研究開(kāi)發(fā)了一套采用可編程序控制器PLC控制的裝料機(jī)械控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠、線路設(shè)計(jì)實(shí)用合理、具有極強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了維修率，并提高了工作效率。

一、系統(tǒng)工作原理

圖一機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，本系統(tǒng)的上下料機(jī)械手采用料斗，搬運(yùn)和上下料組件的整體結(jié)構(gòu)，這種料斗可通過(guò)調(diào)節(jié)通道尺寸變動(dòng)料件的規(guī)格，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。本設(shè)備抓取工件質(zhì)量可達(dá)1kg，工作范圍為橫向1m、縱向0.9m，并且可以調(diào)節(jié)距離范圍。

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，先進(jìn)行自檢，若機(jī)器正常，則機(jī)械手處于待料位置，泵站電機(jī)處于卸荷狀態(tài)。當(dāng)加工開(kāi)始信號(hào)傳來(lái)時(shí)，機(jī)械手臂開(kāi)始動(dòng)作，其具體行動(dòng)過(guò)程如下：原始位置→機(jī)械臂伸出→開(kāi)關(guān)發(fā)出料到位信號(hào)→真空吸盤松開(kāi)（放料）→尾架合攏（同時(shí)卡盤夾緊工件，機(jī)床開(kāi)始加工）→托爪退出→送料架升起→托爪復(fù)位→加工結(jié)束（主軸動(dòng)力脫開(kāi)，剎車進(jìn)入）→機(jī)械手進(jìn)入取工件→機(jī)械手真空吸盤吸住工件→尾架剎車退出→機(jī)械手將工件拔出→機(jī)械手將工件取出→機(jī)械手把工件搬運(yùn)到下一工位→機(jī)械手真空吸盤松開(kāi)工件→機(jī)械手復(fù)位，系統(tǒng)原位卸荷。[1]

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械手的整個(gè)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成。

控制系統(tǒng)主要包括：位置檢測(cè)裝置、可編程控制器、主控柜及主控面板（狀態(tài)顯示和操作按鈕）。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全氣壓驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械上下料的自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)保證了整機(jī)動(dòng)作迅速、平穩(wěn)，特別是滿足了機(jī)械手的動(dòng)作位置精度、需承受大負(fù)載強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)性能等方面的特殊要求。

執(zhí)行系統(tǒng)由升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、吸盤夾持機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)等組成，整體為擺動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的上下料機(jī)械手不同的是：該系統(tǒng)采用了具有兩個(gè)夾持結(jié)構(gòu)的手臂設(shè)計(jì)，一個(gè)負(fù)責(zé)上料，一個(gè)負(fù)責(zé)下料（圖1），在其中一夾持機(jī)構(gòu)卸料后，另一夾持機(jī)構(gòu)搬運(yùn)工件至下一個(gè)工位，在上下料之間機(jī)械手臂往返各一次，與傳統(tǒng)的往返各兩次比較，更加節(jié)省時(shí)間，效率更高。

三、系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)械手的控制，是通過(guò)向系統(tǒng)提供符合要求的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體地講，就是按機(jī)械手的動(dòng)作要求，PLC通過(guò)信號(hào)采集、控制氣壓系統(tǒng)的電磁換向閥的通斷電，實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)或手動(dòng)上下料。系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)械本體、氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)主要通過(guò)PLC的編程實(shí)現(xiàn)。

（一）氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，為防止各種干擾影響手指抓取工件，故采用雙泵供氣；手部的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的控制，是由真空吸盤配合凸輪和連桿機(jī)構(gòu)組合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的吸放；機(jī)械臂的擺動(dòng)和移動(dòng)則是由氣缸配合齒輪實(shí)現(xiàn)，上料兩個(gè)手臂可在相互垂直的兩平面內(nèi)擺動(dòng)，下料手臂可以旋轉(zhuǎn)180°；為防止突然斷電時(shí)手指松開(kāi)和大、小臂晃動(dòng)，在真空吸盤氣缸和手臂氣缸的控制回路中采用氣控單向閥，并在氣壓回路中配置限位開(kāi)關(guān)、壓力繼電器和光柵位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的換接控制。同時(shí)還設(shè)置急停、復(fù)位按鈕，以及防干擾的互鎖、故障報(bào)警等裝置。

（二）PLC控制系統(tǒng)

1.PLC程序在設(shè)計(jì)時(shí)的大致步驟

（1）如果選擇的PLC自身具有程序，需要細(xì)致的掌握程序所具有的功能，還有對(duì)于現(xiàn)有具體的滿足程度以及可修改性，最好選用PLC自身具有的程序。

（2）把全部和PLC有關(guān)的出入信號(hào)以及輸出信號(hào)分別進(jìn)行列表，并且根據(jù)PLC內(nèi)部接口的具體范圍，提供給每個(gè)信號(hào)一個(gè)相對(duì)確定的標(biāo)號(hào)。

（3）對(duì)生產(chǎn)的工藝以及設(shè)備對(duì)于控制系統(tǒng)具體的要求進(jìn)行細(xì)致的了解，畫出系統(tǒng)中每個(gè)功能過(guò)程具體的流程圖或者是工作的循環(huán)圖以及功能圖等等。

（4）依據(jù)PLC程序語(yǔ)言的具體要求，對(duì)梯形圖或者編寫的程序清單進(jìn)行設(shè)計(jì)。梯形圖的上文符號(hào)需要按照現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)和PLC內(nèi)部的接口對(duì)照表相關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)注。

2.PLC程序在設(shè)計(jì)上的基本原則

（1）設(shè)計(jì)必須確保人身以及設(shè)備的安全。

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在確保操作人員以及設(shè)備的安全的基礎(chǔ)上完成的。

（3）PLC程序進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)，這并不能夠代表其在硬件的相關(guān)安全保護(hù)能夠省略。

（4）PLC程序進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)，知識(shí)在軟件上給予了保護(hù)的功能，為防止軟件的工程異常以及在調(diào)試過(guò)程中因編寫錯(cuò)誤而導(dǎo)致的事故，還應(yīng)當(dāng)在硬件內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)保護(hù)的功能。

（5）掌握PLC本身的特點(diǎn)。廠家不同，所設(shè)計(jì)的PLC的特點(diǎn)也有著差異，在具體的使用當(dāng)中也會(huì)存在不同之處，所以要充分的掌握PLC本身具有的特點(diǎn)，方能正確的使用并且發(fā)揮出PLC應(yīng)該具備的能力。

（6）設(shè)計(jì)好調(diào)試點(diǎn)以便調(diào)試。對(duì)于PLC程序進(jìn)行的設(shè)計(jì)，通常不是一次就能夠完成的，往往要通過(guò)分步進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)。所以在PLC程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，和普通的軟件設(shè)計(jì)一樣，要通過(guò)中間的寄存器設(shè)計(jì)相關(guān)的跟蹤標(biāo)記以及斷點(diǎn)，這樣便于調(diào)試。

3.數(shù)控車床PLC系統(tǒng)的調(diào)試

（1）輸入的程序。依據(jù)不同的型號(hào)，PLC擁有很多種程序的輸入方法，比如通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行輸入，在PLC進(jìn)行本地的輸入，通過(guò)外部的專用編程器進(jìn)行輸入。

（2）對(duì)電器的線路進(jìn)行檢查。一旦電氣在線路上的安裝出現(xiàn)錯(cuò)誤，不但會(huì)對(duì)PLC程序調(diào)試的進(jìn)度產(chǎn)生巨大的影響，并且很有可能會(huì)對(duì)元器件造成損害。所以，進(jìn)行調(diào)試之前要細(xì)心的檢查系統(tǒng)中的電氣線路，尤其是電源。

（3）進(jìn)行模擬調(diào)試。PLC處于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床電器兩者之間，起到了承上啟下的過(guò)渡作用，一旦PLC的指令出現(xiàn)錯(cuò)誤，就算電器的線路沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，也很有可能導(dǎo)致事故，造成設(shè)備的損壞。

（4）進(jìn)行運(yùn)行的調(diào)試。接通相關(guān)功率器件的動(dòng)力，比如電動(dòng)機(jī)以及它的驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)電以及氣壓等等，根據(jù)具體運(yùn)行的要求進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試的過(guò)程中，要注意機(jī)械和電氣之間的有效配合。

（5）非常規(guī)的調(diào)試，對(duì)安全保護(hù)以及報(bào)警功能進(jìn)行驗(yàn)證，在主軸的運(yùn)行過(guò)程中，按下刀具松按鈕，注意PLC設(shè)計(jì)的相關(guān)保護(hù)的功能是不是有效。另外，在運(yùn)行當(dāng)中接入各個(gè)單元的報(bào)警信號(hào)，主要PLC程序是不是可以比較正確的報(bào)警，并且保護(hù)好相對(duì)應(yīng)的單元。[2]

4.本車床PLC控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)控制信號(hào)的數(shù)量，本系統(tǒng)選用三菱FX型可編程控制器。該P(yáng)LC自帶編程器，能實(shí)現(xiàn)離線及在線編程，還可以結(jié)合實(shí)際的工程要求，調(diào)整控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的不同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了柔性化設(shè)計(jì)。

該機(jī)械手在PLC控制下可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、連續(xù)動(dòng)作兩種工作方式，手動(dòng)方式是指利用按鈕對(duì)機(jī)械手每步動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制，連動(dòng)方式是指機(jī)械手根據(jù)控制信號(hào)自動(dòng)，循環(huán)執(zhí)行每步動(dòng)作，直至收到停止信號(hào)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)工序要求，通過(guò)旋轉(zhuǎn)按鈕確定機(jī)械手的工作方式，如果選擇單動(dòng)，則執(zhí)行手動(dòng)程序，否則默認(rèn)執(zhí)行連續(xù)程序。PLC的自動(dòng)控制程序的編寫方法有很多種，根據(jù)本次設(shè)計(jì)中機(jī)械手的特點(diǎn)，要求每一個(gè)動(dòng)作嚴(yán)格按順序執(zhí)行，因此采用步進(jìn)指令編寫，可保證機(jī)械手的運(yùn)行有條不紊，即便出現(xiàn)誤動(dòng)作，也不會(huì)造成混亂，其動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)，機(jī)械手處于待料狀態(tài)，獲得取料信號(hào)后機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作，從原點(diǎn)出發(fā)按工序自動(dòng)循環(huán)工作，直到收到停止信號(hào)，機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的工作后返回原點(diǎn)，自動(dòng)停機(jī)。[3]

四、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用PLC對(duì)數(shù)控車床上下料機(jī)械手進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、連動(dòng)、互鎖、狀態(tài)顯示、延時(shí)報(bào)警等功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張波等.多功能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng)[J]液壓與氣動(dòng)，2002（2）：31～32

[2]吳玉香，周東霞，林錦赟.嵌入式軟PLC系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[J]計(jì)算機(jī)工程，2009，35（10）

[3]朱春波等.PLC控制的氣動(dòng)上下料機(jī)械手[J]液壓氣動(dòng)與密封，1999，78（6）：21～24