數(shù)控加工中心的出現(xiàn)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,同時(shí)電氣控制部分易受車體振動(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

　　本系統(tǒng)的上下料機(jī)械手(如圖1所示)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。該裝置抓取工件重量可達(dá)40 kg~50 kg ,工作范圍最大為橫向1。2m ,縱向0。8 m ,這些參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　該系統(tǒng)主要是按照控制要求和機(jī)械手的運(yùn)行路線驅(qū)動(dòng)液壓控制元件的電磁鐵的得失電狀態(tài),從而控制液流的相關(guān)參數(shù)來(lái)達(dá)到控制機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行的目的。具體的說(shuō),在該系統(tǒng)中主要控制的量參數(shù)有:

　　(1)根據(jù)液體壓力與負(fù)載力的關(guān)系(式1)

圖1　機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　可見:可通過(guò)控制液體壓力來(lái)控制機(jī)械手抓取工件的重量,且滿足重量可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的要求。

　　(2)該系統(tǒng)中,機(jī)械手的各組成部件按照一定的順序執(zhí)行一系列動(dòng)作,因此需控制部件的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度。部件的運(yùn)行方向的控制主要通過(guò)外部限位開關(guān)或壓力繼電器的傳遞信號(hào)來(lái)改變液壓回路的換向閥的工作位置,使液流按要求流動(dòng)。部件的運(yùn)行速度的控制則是根據(jù)流量和速度的關(guān)系(式2)

　　可見:可以通過(guò)控制液壓系統(tǒng)的流量來(lái)控制運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行速度,且滿足速度可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的要求。系統(tǒng)的運(yùn)行情況如下:系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),首先進(jìn)行自檢,若設(shè)備檢驗(yàn)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)控制系統(tǒng)檢測(cè)到加工結(jié)束的信號(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)→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。

圖2　機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　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)。位置檢測(cè)裝置主要由接近開關(guān)組成,用來(lái)檢測(cè)機(jī)械手行程終點(diǎn)及有無(wú)工件,并把相關(guān)信號(hào)迅速傳遞到控制中心。

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動(dòng),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,及需承受大負(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)(如圖1示),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。即按機(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 夾緊裝置

　　夾緊裝置的傳動(dòng)主要有齒輪齒條傳動(dòng)、凸輪杠桿傳動(dòng)、由于要夾持工件的質(zhì)量(50 Kg)比較大,為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu),提高安全性能,我們采用凸輪杠桿機(jī)構(gòu),在液壓桿上裝上一個(gè)凸輪可以直接帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu),從而夾緊工件。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)液壓缸的液壓油的壓力就可以改變手指的夾緊力。手指的夾緊部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手的夾緊裝置

　　由于夾緊的為鋼性工件,為了提高安全性能,防止損壞工件,我們可以在夾緊部分加上一層橡膠,這樣可以通過(guò)增大工件和手指之間的摩擦系數(shù)來(lái)增加

安全性。通過(guò)橡膠的彈性變形來(lái)緩沖對(duì)工件的沖擊,可以減輕乃至消除對(duì)工件的損壞。

　　3.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　在該液壓系統(tǒng)(如圖4所示)中,為防止各種干擾影響手指抓取工件,故采用雙泵供油,其中左油泵專為手指的抓取提供驅(qū)動(dòng);并采用液壓鎖配合換向閥實(shí)現(xiàn)抓取工件時(shí)的鎖緊和保壓。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,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。

　　在該系統(tǒng)中,機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)都可采用調(diào)節(jié)調(diào)速閥來(lái)獲得不同的運(yùn)行速度。同時(shí)還設(shè)置急停和復(fù)位按鈕,和防干擾的互鎖、故障報(bào)警等裝置。

圖4 液壓系統(tǒng)

　　3.3 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5所示),其手動(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,直至獲得停止信號(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)械手的工作方式為單動(dòng)或連動(dòng)形式,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5 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6即為機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程控制的梯形圖。機(jī)械手的動(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),當(dāng)獲得取料信號(hào),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,直到接受停止信號(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6 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7所示)。

圖7 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)Y5為控制該缸動(dòng)作的繼電器,X5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R0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)R901C到通后周期性的通斷,通過(guò)已接通的T0 ,導(dǎo)通Y17 ,使與之相連的報(bào)警指示燈不停閃爍,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,其動(dòng)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,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。