數(shù)控車床氣壓機械手臂的PLC控制系統(tǒng)

摘 要：以數(shù)控車床的上下料機械手臂為研究對象，采用可編程控制器（PLC）對其氣壓的驅動裝置進行電氣控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化和柔性化。對系統(tǒng)的工作原理及機械結構、氣壓驅動和PLC控制方案等方面進行了較為詳盡的論述。

關鍵詞：自動化上下裝料； PLC； 氣壓系統(tǒng)

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2014）08-169-002

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)控加工中心，它在減輕工人勞動強度的同時，大大提高了勞動生產(chǎn)率。但以往數(shù)控加工中常見的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工，效率比較低；后者因設計復雜，需較多繼電器，接線繁雜，易受車體振動干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。為解決這些問題，我們研究開發(fā)了一套采用可編程序控制器PLC控制的裝料機械控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)動作簡單可靠、線路設計實用合理、具有極強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率，并提高了工作效率。

一、系統(tǒng)工作原理

圖一機械結構圖

如圖1所示，本系統(tǒng)的上下料機械手采用料斗，搬運和上下料組件的整體結構，這種料斗可通過調節(jié)通道尺寸變動料件的規(guī)格，具有結構緊湊、運動平穩(wěn)準確的特點，可以方便地實現(xiàn)無級調速。本設備抓取工件質量可達1kg，工作范圍為橫向1m、縱向0.9m，并且可以調節(jié)距離范圍。

系統(tǒng)開機啟動時，先進行自檢，若機器正常，則機械手處于待料位置，泵站電機處于卸荷狀態(tài)。當加工開始信號傳來時，機械手臂開始動作，其具體行動過程如下：原始位置→機械臂伸出→開關發(fā)出料到位信號→真空吸盤松開（放料）→尾架合攏（同時卡盤夾緊工件，機床開始加工）→托爪退出→送料架升起→托爪復位→加工結束（主軸動力脫開，剎車進入）→機械手進入取工件→機械手真空吸盤吸住工件→尾架剎車退出→機械手將工件拔出→機械手將工件取出→機械手把工件搬運到下一工位→機械手真空吸盤松開工件→機械手復位，系統(tǒng)原位卸荷。[1]

二、系統(tǒng)結構組成

機械手的整個系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅動系統(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）。驅動系統(tǒng)采用全氣壓驅動，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)機械上下料的自動運行、手動調節(jié)，同時保證了整機動作迅速、平穩(wěn)，特別是滿足了機械手的動作位置精度、需承受大負載強度及運動性能等方面的特殊要求。

執(zhí)行系統(tǒng)由升降機構、回轉機構、手臂伸縮機構、吸盤夾持機構、定位機構等組成，整體為擺動關節(jié)結構。與傳統(tǒng)的上下料機械手不同的是：該系統(tǒng)采用了具有兩個夾持結構的手臂設計，一個負責上料，一個負責下料（圖1），在其中一夾持機構卸料后，另一夾持機構搬運工件至下一個工位，在上下料之間機械手臂往返各一次，與傳統(tǒng)的往返各兩次比較，更加節(jié)省時間，效率更高。

三、系統(tǒng)軟硬件的設計

整個機械手的控制，是通過向系統(tǒng)提供符合要求的開關信號來實現(xiàn)的。具體地講，就是按機械手的動作要求，PLC通過信號采集、控制氣壓系統(tǒng)的電磁換向閥的通斷電，實現(xiàn)裝置的自動或手動上下料。系統(tǒng)的硬件主要由機械本體、氣壓驅動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)主要通過PLC的編程實現(xiàn)。

（一）氣壓驅動系統(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；手部的夾緊和松開動作的控制，是由真空吸盤配合凸輪和連桿機構組合驅動，實現(xiàn)工件的吸放；機械臂的擺動和移動則是由氣缸配合齒輪實現(xiàn)，上料兩個手臂可在相互垂直的兩平面內(nèi)擺動，下料手臂可以旋轉180°；為防止突然斷電時手指松開和大、小臂晃動，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關、壓力繼電器和光柵位置傳感器來實現(xiàn)動作的換接控制。同時還設置急停、復位按鈕，以及防干擾的互鎖、故障報警等裝置。

（二）PLC控制系統(tǒng)

1.PLC程序在設計時的大致步驟

（1）如果選擇的PLC自身具有程序，需要細致的掌握程序所具有的功能，還有對于現(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有關的出入信號以及輸出信號分別進行列表，并且根據(jù)PLC內(nèi)部接口的具體范圍，提供給每個信號一個相對確定的標號。

（3）對生產(chǎn)的工藝以及設備對于控制系統(tǒng)具體的要求進行細致的了解，畫出系統(tǒng)中每個功能過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程序語言的具體要求，對梯形圖或者編寫的程序清單進行設計。梯形圖的上文符號需要按照現(xiàn)場的信號和PLC內(nèi)部的接口對照表相關規(guī)定進行標注。

2.PLC程序在設計上的基本原則

（1）設計必須確保人身以及設備的安全。

（2）設計應當在確保操作人員以及設備的安全的基礎上完成的。

（3）PLC程序進行安全的設計，這并不能夠代表其在硬件的相關安全保護能夠省略。

（4）PLC程序進行安全的設計，知識在軟件上給予了保護的功能，為防止軟件的工程異常以及在調試過程中因編寫錯誤而導致的事故，還應當在硬件內(nèi)設計一個保護的功能。

（5）掌握PLC本身的特點。廠家不同，所設計的PLC的特點也有著差異，在具體的使用當中也會存在不同之處，所以要充分的掌握PLC本身具有的特點，方能正確的使用并且發(fā)揮出PLC應該具備的能力。

（6）設計好調試點以便調試。對于PLC程序進行的設計，通常不是一次就能夠完成的，往往要通過分步進行反復的調試以及實驗。所以在PLC程序的設計過程中，和普通的軟件設計一樣，要通過中間的寄存器設計相關的跟蹤標記以及斷點，這樣便于調試。

3.數(shù)控車床PLC系統(tǒng)的調試

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

（2）對電器的線路進行檢查。一旦電氣在線路上的安裝出現(xiàn)錯誤，不但會對PLC程序調試的進度產(chǎn)生巨大的影響，并且很有可能會對元器件造成損害。所以，進行調試之前要細心的檢查系統(tǒng)中的電氣線路，尤其是電源。

（3）進行模擬調試。PLC處于數(shù)控系統(tǒng)和機床電器兩者之間，起到了承上啟下的過渡作用，一旦PLC的指令出現(xiàn)錯誤，就算電器的線路沒有出現(xiàn)錯誤，也很有可能導致事故，造成設備的損壞。

（4）進行運行的調試。接通相關功率器件的動力，比如電動機以及它的驅動器強電以及氣壓等等，根據(jù)具體運行的要求進行調試，進行運行調試的過程中，要注意機械和電氣之間的有效配合。

（5）非常規(guī)的調試，對安全保護以及報警功能進行驗證，在主軸的運行過程中，按下刀具松按鈕，注意PLC設計的相關保護的功能是不是有效。另外，在運行當中接入各個單元的報警信號，主要PLC程序是不是可以比較正確的報警，并且保護好相對應的單元。[2]

4.本車床PLC控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)控制信號的數(shù)量，本系統(tǒng)選用三菱FX型可編程控制器。該PLC自帶編程器，能實現(xiàn)離線及在線編程，還可以結合實際的工程要求，調整控制程序，實現(xiàn)機械手的不同動作，實現(xiàn)了柔性化設計。

該機械手在PLC控制下可實現(xiàn)手動、連續(xù)動作兩種工作方式，手動方式是指利用按鈕對機械手每步動作單獨進行控制，連動方式是指機械手根據(jù)控制信號自動，循環(huán)執(zhí)行每步動作，直至收到停止信號。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)工序要求，通過旋轉按鈕確定機械手的工作方式，如果選擇單動，則執(zhí)行手動程序，否則默認執(zhí)行連續(xù)程序。PLC的自動控制程序的編寫方法有很多種，根據(jù)本次設計中機械手的特點，要求每一個動作嚴格按順序執(zhí)行，因此采用步進指令編寫，可保證機械手的運行有條不紊，即便出現(xiàn)誤動作，也不會造成混亂，其動作執(zhí)行過程如下：系統(tǒng)啟動，機械手處于待料狀態(tài)，獲得取料信號后機械手開始動作，從原點出發(fā)按工序自動循環(huán)工作，直到收到停止信號，機械手在完成最后一個周期的工作后返回原點，自動停機。[3]

四、結束語

本系統(tǒng)采用PLC對數(shù)控車床上下料機械手進行控制，實現(xiàn)了手動、連動、互鎖、狀態(tài)顯示、延時報警等功能，具有較強的抗干擾能力和良好的可靠性。

參考文獻：

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

[2]吳玉香，周東霞，林錦赟.嵌入式軟PLC系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[J]計算機工程，2009，35（10）

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