數(shù)控加工中心的出現(xiàn)在減輕工人勞動強(qiáng)度的同時,大大提高了勞動生產(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化裝置,前者費(fèi)時費(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,同時電氣控制部分易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。為解決以上問題,我們研究開發(fā)了一套采用可編程序控制器PLC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)動作簡便、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)動平穩(wěn)的特點(diǎn),可以方便地實(shí)現(xiàn)無級調(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)來達(dá)到控制機(jī)械手自動運(yùn)行的目的。具體的說,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)簡圖

　　可見:可通過控制液體壓力來控制機(jī)械手抓取工件的重量,且滿足重量可無級調(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)行一系列動作,因此需控制部件的運(yùn)動方向和運(yùn)行速度。部件的運(yùn)行方向的控制主要通過外部限位開關(guān)或壓力繼電器的傳遞信號來改變液壓回路的換向閥的工作位置,使液流按要求流動。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:可以通過控制液壓系統(tǒng)的流量來控制運(yùn)動部件的運(yùn)行速度,且滿足速度可無級調(diào)節(jié)的要求。系統(tǒng)的運(yùn)行情況如下:系統(tǒng)啟動時,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)檢測到加工結(jié)束的信號傳來時,機(jī)械手開始動作,其具體動作過程如下:原始位置 →小手臂伸出→手指夾緊(抓住卡盤上的工件)經(jīng)短時延時→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→手指松開(放料)→小手臂縮回→小手臂上擺(同時卡盤夾緊工件,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)

　　械手的整個系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(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)。位置檢測裝置主要由接近開關(guān)組成,用來檢測機(jī)械手行程終點(diǎn)及有無工件,并把相關(guān)信號迅速傳遞到控制中心。

　　驅(qū)動系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動,保證了整機(jī)動作迅速、平穩(wěn),特別是滿足了機(jī)械手伸縮臂的動作精度,及需承受大負(fù)載及運(yùn)動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)省時間,效率更高。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　整個機(jī)械手的控制,是通過向系統(tǒng)提供符合要求的開關(guān)信號來實(shí)現(xiàn)的。即按機(jī)械手的動作要求,PLC通過信號采集、控制液壓系統(tǒng)的電磁換向閥的通斷電,實(shí)現(xiàn)裝置的自動或手動上下料。系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)械本體、液壓驅(qū)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(shí)現(xiàn)。

　　3.1 夾緊裝置

　　夾緊裝置的傳動主要有齒輪齒條傳動、凸輪杠桿傳動、由于要夾持工件的質(zhì)量(50 Kg)比較大,為了簡化機(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凸輪可以直接帶動杠桿機(jī)構(gòu),從而夾緊工件。通過改變驅(qū)動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,這樣可以通過增大工件和手指之間的摩擦系數(shù)來增加

安全性。通過橡膠的彈性變形來緩沖對工件的沖擊,可以減輕乃至消除對工件的損壞。

　　3.2 液壓驅(qū)動系統(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;并采用液壓鎖配合換向閥實(shí)現(xiàn)抓取工件時的鎖緊和保壓。手部的夾緊和松開動作的控制,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,實(shí)現(xiàn)卡爪的圓弧開合;手腕、小手臂、大手臂的擺動則是由擺動液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn),手腕、小手臂可在相互垂直的兩平面內(nèi)擺動,大手臂可正反旋轉(zhuǎn)180°;為防止突然斷電時手指松開,大、小臂倒下來,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實(shí)現(xiàn)動作的換接控制。

　　在該系統(tǒng)中,機(jī)械手的運(yùn)動都可采用調(diào)節(jié)調(diào)速閥來獲得不同的運(yùn)行速度。同時還設(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、連續(xù)動作兩種工作方式(主程序流程圖如圖5所示),其手動方式是指利用按鈕對機(jī)械手每步動作單獨(dú)進(jìn)行控制,連動方式是指機(jī)械手根據(jù)控制信號自動循環(huán)執(zhí)行每步動作,直至獲得停止信號。系統(tǒng)啟動后,根據(jù)工序要求,通過旋轉(zhuǎn)按鈕確定機(jī)械手的工作方式為單動或連動形式,如果選擇單動則執(zhí)行手動程序,否則默認(rèn)執(zhí)行連動程序。

圖5 PLC主程序流程圖

　　PLC的自動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),要求每一個動作嚴(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)誤動作也不會造成混亂,圖6即為機(jī)械手動作過程控制的梯形圖。機(jī)械手的動作執(zhí)行過程如下:系統(tǒng)啟動,機(jī)械手處于待料狀態(tài),當(dāng)獲得取料信號,機(jī)械手開始動作,從原點(diǎn)出發(fā)按工序自動循環(huán)工作,直到接受停止信號,機(jī)械手在完成最后一個周期的工作后,返回原點(diǎn),自動停機(jī)。

圖6 機(jī)械手動作過程控制梯形圖

　　為避免因壓力不足或機(jī)械手動作不到位造成的誤動作,系統(tǒng)設(shè)置了延時報(bào)警系統(tǒng)(如圖7所示)。

圖7 延時報(bào)警系統(tǒng)梯形圖

　　當(dāng)某一液壓缸因故障被卡超過設(shè)定時限,延時報(bào)警系統(tǒng)將動作:設(shè)Y5為控制該缸動作的繼電器,X5為對應(yīng)動作的限位,若該動作超時,對應(yīng)的時間繼電器T4將動作,則T4的動合觸點(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R901C到通后周期性的通斷,通過已接通的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,其動斷觸電打開,蜂鳴器停止報(bào)警,報(bào)警燈熄滅。

4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用PLC對數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)了手動、連動、互鎖、狀態(tài)顯示、延時報(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。