基于直角坐標機器人的數控車床自動上下料控制系統設計

謝朋霖

（廣東省河源技師學院，廣東河源 517000）

0 引言

目前我國機械行業大多數采用人工進行數控車床上下料作業，工作分貝高、勞動強度大、生產效率低、工人等待時間長，而且具有一定的危險性，已經無法適應現代生產的需求。為了適應機械行業加工自動化生產要求，本文利用直角坐標機器人、PLC及觸摸屏技術，設計利用數控車床自動上下料控制系統代替人工作業。與導軌式上下料系統相比，不僅能提高生產效率，保障工人的人身安全，還能避免維護人員高空作業，降低維修保養難度，減少安全事故的發生，同時也降低用人成本。

1 控制系統工作原理

數控車床自動上下料控制系統主要由直角坐標機器人、傳送帶、傳感器等組成，生產線布置圖如圖1所示。其中直角坐標機器人由執行機構、驅動機構、位置檢測傳感器和控制系統組成。

直角坐標機器人每次啟動前必須進行復位。復位由PLC控制機器人進入機器人復位程序，待到機器人到達設定的原位，X、Y、Z軸上傳感器反饋信號給PLC后停止復位動作，然后才可以啟動設備。待加工工件由送料傳送帶傳送至A工位，B工位為加工工位，加工后的成品存放在C工位。

系統啟動后物送料傳送帶開始傳送工件，當A工位工件傳感器檢測到有工件時，反饋信號至PLC，由PLC控制送料傳送帶停止，同時啟動機器人到A工位夾取工件。機器人將工件放入數控車床B工位進行加工，B工位檢測工件放到位后，反饋信號至PLC，再由PLC控制機器人到D工位等待，數控車床加工工件結束，輸出加工完成信號至PLC控制機器人夾取，夾取后送入C工位，機器人返回原位，然后進入下一個循環。

圖1 數控車床自動上下料控制系統布置圖

2 控制系統功能

根據數控車床自動上下料控制系統的生產要求，系統設計了以下功能。

（1）運行模式。運行模式分有手動、自動、回原點3種控制模式[1]。系統調試或發生故障需要檢修時，采用手動控制模式運行；手動控制或故障檢修完成后、執行機構不在原點位置時，可采用回原點模式控制系統運行回原點；系統所有執行機構在原點位置且正常時，可采用自動控制模式。

（2）急停功能。直角坐標機器人控制系統設計有急停功能，當系統運行發生緊急情況時，現場人員按下急停按鈕，整個機器人系統的所有運行機構立即停止當前的動作，故障排除后，復位急停按鈕，直角坐標機器人設備復位到達原位，系統才可以重新啟動。

（3）聯鎖功能。直角坐標機器人系統執行機構順序不能錯亂、沖突，否則機器會發生碰撞，需要連鎖限制，以確保系統的正常運行。

（4）故障報警、查詢功能。當系統某個執行機構發生故障或X、Y、Z軸傳感器檢測不到位，能通過聲光報警器發出故障報警，并在人機界面顯示故障信息，以便現場人員查詢到故障信息，快速處理故障。

3 控制系統硬件設計

由于PLC可靠性高、抗干擾能力強、數據處理能力較強、編程簡單易學[2]，可多次編寫和反復修改程序、方便維護及改造設備、價格適中等優點，能滿足數控車床自動上下料控制系統中直角坐標機器人的現場作業條件，故在本次設計中采用PLC作為控制系統，圖2所示為上下料控制系統硬件結構框圖。

圖2 系統硬件結構框圖

該上下料控制系統包括以下部分：

（1）輸入元件，用來接受PLC外部的輸入信號，主要包括啟動、停止、急停按鈕，各種傳感器等；

（2）輸出元件，是控制系統的驅動裝置，主要包括伺服電機、異步電機、氣動電磁閥、聲光報警器等，伺服電機用于控制機器人在X、Y、Z軸的動作，異步電機用于控制傳送帶的動作，氣動電磁閥控制夾具夾放工件，聲光報警器在故障時發出報警信號；

（3）控制系統，即可編程序控制器（PLC）。

3.1 直角坐標機器人

直角坐標機器人為三自由度機器人，以X、Y、Z直角坐標系統為基本數學模型[3-5]，采用伺服電機驅動單軸機械臂、滾珠絲桿做傳動方式[6-7]。可以完成在X、Y、Z三維坐標系中任意位置的運動軌跡，其運動軌跡如圖3所示。

圖3 直角坐標機器人三軸運動軌跡圖

3.2 可編程序控制器（PLC）

根據系統實際控制要求，本文采用三菱FX3U-48MT/ES-A型PLC，該PLC內置獨立3軸100 kHz定位功能，3軸可同時輸出最高為100 kHz的脈沖，內置脈沖輸出點為(Y000、Y001、Y002)。該PLC內置脈沖輸出功能符合X、Y、Z三軸控制的目的，以減少外控模塊節約成本及減少硬件接線，其次輸入輸出點位可擴展，內存可擴展，支持通訊功能，方便日后改造設備。

4 控制系統程序設計

根據數控車床自動上下料控制系統工作原理，可得其工作流程圖如圖4所示。

圖4 數控車床自動上下料控制系統工作流程圖

系統使用三菱的IST狀態初始化指令定義手動/自動/回原點模式，自動模式啟動前必須滿足M8044的原點條件，程序如圖5所示。S0以下為手動程序，S1以下為回原點程序，S2以下為自動程序，其程序框架如圖6所示。

圖5 IST指令及原點條件程序圖

圖6 數控車床自動上下料控制系統程序步進流程圖

5 觸摸屏人機交互界面設計

人機界面（HMI）是系統和用戶之間進行交互和信息交換的設備[8]，本文采用威綸通MT8000觸摸屏。通過通訊線連接不同類型的PLC、變頻器、調速器、PC組態軟件、儀器、等工業控制設備。PLC與人機界面通訊后，PLC將數據與狀態傳送到人機界面顯示，可對現場進行操作、數據采集處理、參數設置、報表輸出、查詢等功能。方便現場人員對系統進行查詢、調試、故障排查、運行監視等功能。觸摸屏人機界面圖形設置如圖7所示。

圖7 人機界面圖形設置

6 結束語

本文利用直角坐標機器人、PLC、觸摸屏、傳送帶和數控車床設備共同組成一個數控車床自動上下料控制系統，能適應較惡劣的環境，投入成本較低，用人成本減少，安全系數高，同時生產效率得到了大大的提高。