基于PLC控制的單機(jī)桁架集成式堆料機(jī)研究

冶生有，齊亞文，趙敬

寧夏共享機(jī)床輔機(jī)有限公司，寧夏銀川，750021

0 引言

循環(huán)式多工位堆料機(jī)是一種強(qiáng)大的物料存儲、交換設(shè)備，為機(jī)床母機(jī)持續(xù)提供角相要求定制、供料節(jié)拍穩(wěn)定、交換位置精確的托板工裝，通過工裝快速換夾實現(xiàn)盤、套、軸、齒輪、齒輪軸等多種物料供給。循環(huán)式多工位堆料機(jī)一般用于單機(jī)齒輪加工機(jī)床配套使用，如滾齒機(jī)、剃齒機(jī)、磨齒機(jī)。此外，也有用于單機(jī)關(guān)節(jié)機(jī)械手配套多臺機(jī)床或者桁架機(jī)械手配套工藝產(chǎn)線的使用方案。現(xiàn)有的齒輪加工機(jī)床，如滾齒機(jī)和剃齒機(jī)，機(jī)床內(nèi)部都是自帶雙工位或者是四工位可回轉(zhuǎn)的環(huán)形夾爪，用于完成工件在機(jī)床內(nèi)部的裝夾。但是通常受制于機(jī)床外形尺寸限制，機(jī)床內(nèi)部的環(huán)形夾爪回轉(zhuǎn)半徑不能無限增大，所以在堆料機(jī)搭載一些外徑偏大的工件時，堆料機(jī)本身寬度就會增大，機(jī)床環(huán)形夾爪無法直接抓取堆料機(jī)內(nèi)部上料工位的毛坯工件。因此，為了實現(xiàn)上述動作流程，需要在機(jī)床和堆料機(jī)之間再配套相應(yīng)的機(jī)外桁架機(jī)械手[1]。如圖1所示，O點為機(jī)床環(huán)形夾爪回轉(zhuǎn)中心，C1點為機(jī)床環(huán)形夾爪抓取工位，B點為堆料機(jī)內(nèi)部上料工位，為了完成機(jī)床與堆料機(jī)毛坯件和成品件的交互，還需要在堆料機(jī)內(nèi)部與C1點重合的位置安裝交換位置工裝。為了分別完成上料位置B點和交換位置工裝C1點以及下料位置A點和交換位置工裝C1點的動作，在堆料機(jī)上還需要再設(shè)計安裝工件移載機(jī)構(gòu)，如兩軸桁架，配套抓取工件的機(jī)械手[2]。

圖1 工件轉(zhuǎn)運(yùn)點位示意圖

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷，減少齒輪加工機(jī)床周邊附屬搬運(yùn)設(shè)備數(shù)量，簡化設(shè)備聯(lián)機(jī)調(diào)試周期，降低成本，設(shè)計一種單機(jī)桁架集成式堆料機(jī)，將機(jī)外移載工件的桁架機(jī)械手和機(jī)內(nèi)倉儲功能的堆料機(jī)進(jìn)行功能集成，實現(xiàn)設(shè)備多功能集成化。然后在機(jī)械手抓取位置豎直下方，即多層碼垛用工裝托盤下方，增加上料工位升降機(jī)和下料工位升降機(jī)，用以頂升多層碼垛用工裝托盤內(nèi)工件托盤，使每個工件都可以在相同的高度被抓取或者放置[3]。

1 研究過程

1.1 技術(shù)原理

此裝置用于工件存儲和轉(zhuǎn)運(yùn)，搭載一定數(shù)量的托板工裝，將物料轉(zhuǎn)送至交換位置，并借助傳感器檢測以及通信系統(tǒng)控制實現(xiàn)機(jī)床與堆料機(jī)之間精確、快速的物料交互動作。

1.2 工作原理

毛坯物料上料→工裝托盤定節(jié)距旋轉(zhuǎn)→工裝托盤到位檢測→物料檢測→物料移載→物料交換→工裝托盤定節(jié)距旋轉(zhuǎn)→成品物料下料。移載型堆料機(jī)功能分解如圖2所示。

圖2 移載型堆料機(jī)功能分解圖

1.3 堆料機(jī)各系統(tǒng)方案設(shè)計

（1）旋轉(zhuǎn)動力驅(qū)動及其滑道系統(tǒng)。在機(jī)架的安裝臺面兩端安裝基準(zhǔn)板，在主動側(cè)基準(zhǔn)板上安裝鏈傳動和旋轉(zhuǎn)動力組件，在從動側(cè)基準(zhǔn)板上組裝鏈輪張緊組件，由此構(gòu)成水平旋轉(zhuǎn)動力傳動。并在主動鏈輪軸和電機(jī)軸使用扭力限制器進(jìn)行連接。在鋁型材框架上端面和鏈輪回轉(zhuǎn)處安裝UPE材質(zhì)滑板，組成輕載荷型滑道，在鋁型材框架側(cè)面安裝滾輪架，組成重載荷型輥道。

另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一方面需要從技術(shù)上保證設(shè)計安全可靠，例如電機(jī)過載保護(hù)常用的熱繼電器，但是此種保護(hù)方式因為啟用準(zhǔn)備時間過長，意外過載往往會導(dǎo)致毀滅性的破壞，因此需要為旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及相連傳動系統(tǒng)設(shè)計特殊的保護(hù)措施。例如使用扭力限制器，當(dāng)系統(tǒng)過載時動力自動脫開，過載原因消除后，系統(tǒng)會自動恢復(fù)動力供應(yīng)。

（2）頂升動力驅(qū)動及其快速入銷系統(tǒng)。重型的升降裝置采用位置精度高、結(jié)構(gòu)合理的滾珠絲杠升降裝置，通過開關(guān)控制電機(jī)，實現(xiàn)精確控制托盤的上升、下降位置，同時輔以定位入銷結(jié)構(gòu)，可以保證機(jī)械手在抓取零件時的可靠性和重復(fù)性。如果工件單層碼垛，即輕型載荷時，使用電動執(zhí)行器提供動力輸出，其拉桿帶動頂升板上下運(yùn)動，實現(xiàn)頂升桿快速運(yùn)動。

（3）托板工裝及其末端檢測系統(tǒng)。在托盤工裝底部，使用銷軸直連鏈條附板，通過設(shè)定外輪廓特征，使用傳感器直接檢測外輪廓特征。并在其對角線位置安裝預(yù)留快換工裝定位銷。對于快換工裝，通過對角線定位銷孔和底板定位銷可以快速完成換產(chǎn)，工裝形式有外夾式和內(nèi)導(dǎo)向式。

（4）機(jī)內(nèi)桁架及其工件移載系統(tǒng)。選用標(biāo)準(zhǔn)兩軸電動機(jī)械臂或者模組，組成XZ兩軸機(jī)內(nèi)桁架，Z軸下端安裝一套氣動式夾爪，并在此基礎(chǔ)上配套標(biāo)準(zhǔn)快換工裝、頂升裝置，最后在X軸軸向增加過渡工位，組成工件移載系統(tǒng)。整個工件移載系統(tǒng)位于兩臺升降裝置的正上方，機(jī)內(nèi)的桁架裝置和精確定位后的托板工裝相互配合，完成物料在上料工位、下料工位和交換工位的傳遞，最終實現(xiàn)機(jī)床與單機(jī)桁架集成式堆料機(jī)的物料交互動作。工件移載系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 工件移載系統(tǒng)圖

（5）物料檢測及其自動控制系統(tǒng)。如圖4所示，首次通電需要手動移動機(jī)內(nèi)桁架至上料抓取位、下料送料位、機(jī)械手抓取位，將每個位置X/Z坐標(biāo)進(jìn)行記錄，并輸入桁架手操器坐標(biāo)位置。自動運(yùn)行時，當(dāng)上料傳感器檢測有工件時，上料頂升工位將工件頂升至上料抓取位置，機(jī)械手X軸平移至上料抓取位，Z軸向下至上料抓取位，夾爪夾緊，Z軸下降，將工件放至機(jī)械手抓取工件位置，Z軸返回至原點，X軸返回至原點等待，發(fā)信號至機(jī)械手，機(jī)械手抓取工件進(jìn)行加工。當(dāng)工件加工完成后，機(jī)械手將工件送至機(jī)械手抓取位置，X軸移動至機(jī)械手抓取位置，Z軸下降抓取工件，抓取完成后返回Z軸原點，X軸移動至下料位，此時下料工位將空托盤頂升至下料放件位置，Z軸下降至放件位置，夾爪松開，并返回至原點位置[4]。

圖4 自動控制流程圖

1.4 電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)

如圖5所示，先按伺服鍵，再按原點鍵，電動執(zhí)行器的初始動作完成。可以按前進(jìn)和后退鍵來進(jìn)行初步動作。JOG時的速度可以進(jìn)行調(diào)整。伺服和原點按鍵確認(rèn)后，完成原點動作執(zhí)行，根據(jù)實際使用所需速度、加減速時間對應(yīng)輸入，如圖6所示。保存數(shù)據(jù)后，按連續(xù)移動鍵，電動執(zhí)行器可以循環(huán)動作。左邊鍵是單步運(yùn)行，右邊鍵是暫停[5]。

圖5 電動執(zhí)行器首次通電顯示

圖6 坐標(biāo)值輸入

1.5 系統(tǒng)控制

如圖7所示，整個系統(tǒng)由PLC控制，水平旋轉(zhuǎn)裝置采用變頻減速控制，低速運(yùn)行的情況下可以保證水平定位的準(zhǔn)確性[6]。PLC與變頻器采用MODBUS通信，可以實時獲取變頻器狀態(tài)信息。PLC與電缸采用I/O點位控制，電缸移動的每個位置都由獨立的點位控制，不會出現(xiàn)干擾，電缸示教器獲取電缸的所有狀態(tài)信息，可以實時監(jiān)控電缸的運(yùn)行情況[7]。

圖7 PLC 控制原理圖

2 創(chuàng)新點

單機(jī)桁架集成式堆料機(jī)是一款多功能、工位可定制化生產(chǎn)的物料交換設(shè)備。設(shè)備整體自動化集成度較高，開放式的設(shè)計接口在滿足小產(chǎn)線單機(jī)使用的同時，其附帶的多交換位置工裝托盤結(jié)構(gòu)，也可以無縫快速對接桁架生產(chǎn)線或者是地軌生產(chǎn)線。

（1）優(yōu)化改進(jìn)了托板工裝停止檢測裝置，使用變頻減速檢測和到位檢測直接控制方案，無需加測托板上的檢測片，簡化托板工裝結(jié)構(gòu)，縮減傳感器調(diào)試時間。

（2）增加了堆料機(jī)內(nèi)部移載機(jī)構(gòu)，解決了機(jī)床無法直接抓取外徑偏大的工件的問題，同時使用便于安裝、調(diào)試和操作的電缸，替換常規(guī)的桁架結(jié)構(gòu)，簡化了設(shè)計過程和制造周期。

（3）在堆料機(jī)內(nèi)部增加上料位和下料位升降機(jī)，滿足料盤碼垛多層工件的使用，實現(xiàn)了在有限空間內(nèi)提高堆料機(jī)工件的存儲量。

（4）完善了設(shè)備自身的安全防護(hù)功能，分別從機(jī)械組件和電氣控制上提升安全防護(hù)性能。

3 結(jié)論

單機(jī)桁架集成式堆料機(jī)是以PLC控制為核心，通過編程實現(xiàn)邏輯串聯(lián)，完成五大系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)各個功能單元協(xié)同動作。通過X軸和Y軸的邏輯動作控制，將桁架Z軸下端的機(jī)械手抓取功能與循環(huán)式堆料機(jī)倉儲功能相結(jié)合，最終實現(xiàn)與機(jī)床物料的交互動作。