0 引言

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。但數(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(dòng)化裝置。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低；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。為解決以上問(wèn)題，我們研究開發(fā)了一套采用可編程序控制器PLC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)便、線路設(shè)計(jì)合理、具有較強(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，提高了工作效率。

1 系統(tǒng)工作原理

　　如圖1所示，本系統(tǒng)的上下料機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式整體結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。該裝置抓取工件質(zhì)量可達(dá)40～50kg，工作范圍為橫向1.2m、縱向0.8m。

圖1 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行自檢，若設(shè)備正常，則機(jī)結(jié)束信號(hào)傳來(lái)時(shí)，機(jī)械手開始動(dòng)作，其具體動(dòng)作過(guò)程如下：原始位置→小手臂伸出→手指夾緊(抓住卡盤上的工件)經(jīng)短時(shí)延時(shí)一手腕向左逆擺(從卡盤上卸下工件)→大臂旋轉(zhuǎn)180°→小手臂伸出(上料)→開關(guān)發(fā)出料到位信號(hào)→手指松開(放料)→小手臂縮回→小手臂上擺(同時(shí)卡盤夾緊工件，機(jī)床開始加工)→大手臂下擺→手指松開(將工件放在料架上)→小手臂縮回→大臂旋轉(zhuǎn)180°同時(shí)料架轉(zhuǎn)位(轉(zhuǎn)60°)→小手臂伸出→手指夾緊(抓住待加工的工件)→大手臂上擺(從料架上取走工件)→小手臂水平待料，系統(tǒng)原位卸荷。

2 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，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。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)。

圖2機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(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)械手伸縮臂的動(dòng)作精度、需承受大負(fù)載及運(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)、手部夾持機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)等組成，整體為圓柱關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的上下料機(jī)械手不同的是：該系統(tǒng)采用了具有雙夾持結(jié)構(gòu)的手臂設(shè)計(jì)(圖1)，在其中一夾持機(jī)構(gòu)卸料后，手臂旋轉(zhuǎn)一定角度，另一夾持機(jī)構(gòu)上料，在兩次上下料之間機(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。

3 系統(tǒng)軟硬件設(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、控制液壓系統(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、液壓驅(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)。

　　3.1 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示，在該系統(tǒng)中，為防止各種干擾影響手指抓取工件，故采用雙泵供油；手部的夾緊和松開動(dòng)作的控制，是由雙作用式活塞缸配合凸輪和連桿機(jī)構(gòu)組合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)卡爪的圓弧開合；手腕、小手臂、大手臂的擺動(dòng)則是由擺動(dòng)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，手腕、小手臂可在相互垂直的兩平面內(nèi)擺動(dòng)，大手臂可正反旋轉(zhuǎn)180°；為防止突然斷電時(shí)手指松開和大、小臂倒下來(lái)，在手指夾緊油缸和大、小臂油缸的控制回路中采用液控單向閥，并在液壓回路中配置限位開關(guān)、壓力繼電器和位置傳感器來(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。

圖3液壓系統(tǒng)圖

　　3.2 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FxON-60MR-D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，主程序流程圖如圖4所示，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)行連動(dòng)程序。

圖4 PLC主程序流程圖

　　PLC的自動(dòng)控制程序的編寫方法很多，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，即使出現(xiàn)誤動(dòng)作也不會(huì)造成混亂，圖5即為機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程控制的梯形圖。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)。

圖5機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程控制梯形圖

　　為避免因壓力不足或機(jī)械手動(dòng)作不到位造成的誤動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)置了延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)梯形圖

　　當(dāng)某一液壓缸因故障被卡超過(guò)設(shè)定時(shí)限，延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)將動(dòng)作:設(shè)YS為控制該缸動(dòng)作的繼電器，XS為對(duì)應(yīng)動(dòng)作的限位，若該動(dòng)作超時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間繼電器T4將動(dòng)作，則T4的動(dòng)合觸點(diǎn)接通，首先接圖6延時(shí)報(bào)警系統(tǒng)梯形圖通Y18，切斷電源，停機(jī)。因故障排除按鈕為動(dòng)作，內(nèi)部繼電器RO未導(dǎo)通，則Y16接通，與之相連的報(bào)警蜂鳴器通電發(fā)聲報(bào)警，與此同時(shí)，8901 C導(dǎo)通后周期性地通斷，通過(guò)已接通的功導(dǎo)通Y17，使與之相連的報(bào)警指不燈不停閃爍，提醒工人排除故障，從而避免故障加重造成損失。一旦按下故障排除按鈕，X14接通，內(nèi)部繼電器導(dǎo)通，其通斷觸電打開，蜂鳴器停止報(bào)警，報(bào)警燈熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用PLC對(duì)數(shù)控機(jī)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。經(jīng)調(diào)試檢驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行符合程序設(shè)計(jì)要求，具有良好的協(xié)調(diào)運(yùn)行性能。