1 引言

　　在金屬高頻淬火加熱場合，工人經(jīng)常身處高溫環(huán)境，勞動強(qiáng)度大，而且周圍環(huán)境電磁輻射大，長期工作會影響身體健康。為了解決該問題，設(shè)計了高頻淬火機(jī)械手，代替工人進(jìn)行工作。

　　工人操作高頻淬火機(jī)械手，就可實(shí)現(xiàn)在原點(diǎn)位置上快速安裝工件、夾緊，并移動工件到高頻感應(yīng)線圈處進(jìn)行加熱；當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度后，系統(tǒng)自動停止加熱并退回、旋轉(zhuǎn)90°、松開工件進(jìn)行淬火。在高溫檢測方面，由于高頻加熱的溫升速度非?？?，傳感器響應(yīng)時間應(yīng)在0．2 s以內(nèi)，因此不宜采用接觸式的溫度傳感器，而應(yīng)采用紅外線或光纖高溫傳感器。同時在人機(jī)界面上可清晰觀察機(jī)械手工作的過程、工件溫度及報警列表等信息。

2 機(jī)械手工作過程

　　通氣后機(jī)械手自動復(fù)位，然后通電，機(jī)械手松開。并在原點(diǎn)位置上快速安裝工件并靠夾緊氣缸夾緊，然后靠推料氣缸移動工件到高頻感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，并通過紅外高溫傳感器對溫度進(jìn)行采集，并反饋給PLC。當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度后，停止加熱并退回到原點(diǎn)位置上，最后旋轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)90°，松開工件進(jìn)行淬火。

圖1 機(jī)械手工作示意圖

3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

　　機(jī)械手的主要動作為機(jī)構(gòu)的松開與夾緊、機(jī)構(gòu)的平移、機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，這3個動作分別由夾緊氣缸、推料氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸來完成；它們動作的執(zhí)行是靠二位五通電磁閥切換氣缸的進(jìn)氣和出氣方向，使氣缸活塞產(chǎn)生不同的運(yùn)動方向。當(dāng)電磁閥全部都處于失電時候，機(jī)械手處于夾緊、退回、無旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這樣也便是急停狀態(tài)。當(dāng)PLC啟動狀態(tài)時候，機(jī)械手處于松開、退回、無旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這也是PLC運(yùn)行時氣缸最初狀態(tài)，這樣安排無需松開夾緊氣缸就可以放置工件，便于放置工件。由于我們采用的是二位五通電磁閥，因此通電和斷電時候，氣缸動作方向是相反的。所以當(dāng)IY電磁閥通電時，機(jī)械手就松開工件。如果斷電的時候，就夾緊工件。2Y電磁閥通電時，機(jī)械手就推出工件，斷電就拉回工件。3Y電磁閥通電時，機(jī)械手就旋轉(zhuǎn)90°斷電時候就回轉(zhuǎn)原位。

　　機(jī)械手夾緊與松開工件是靠電磁閥1Y動作，機(jī)械手推出與拉回工件是靠電磁閥2Y動作，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)工件與旋轉(zhuǎn)復(fù)位是靠電磁閥3Y動作。對于高頻機(jī)啟動與停止加熱是靠繼電器動作。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

　　1)PLC的選型

　　可編程控制器(PLC)種類非常多，我們選用PLCHW—S20ZA220T。這剛好滿足本次設(shè)計所需的外部8個開關(guān)量和1個模擬量輸入信號，4個開關(guān)量輸出信號，而且點(diǎn)數(shù)還有余量。由于兩個傳感器是屬于NPN晶體管型，因此選擇NPN晶體管型PLC。

　　2)PLC的VO地址分配及外部接線設(shè)計該機(jī)械手中系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入8點(diǎn)，數(shù)字量輸出量4點(diǎn)，1個溫度模擬量輸入。輸入包括6個磁性開關(guān)，1個急停按鍵和1個復(fù)位按鈕。輸出包括控制3個電磁閥的信號，1個控制繼電器的信號。模擬量輸入包括紅外高溫傳感器輸入值為0—10 V的電壓。

　　外部24 V電源作為輸出端口電磁閥的電源，而PLC內(nèi)部提供的24 V電源作為輸入傳感器和紅外高溫傳感器的電源，保證輸入輸出電源的隔離，提高抗干擾能力；il摸屏與PLC的編程接口相聯(lián)接，。

3)溫度采集

　　對于小工件，從常溫高頻加熱到900°，一般不到10 s，時間非常短暫。因此對傳感器的反應(yīng)速度要求就特別高，響應(yīng)時間時間必須控制在200 ms以內(nèi)，否則誤差較大。由于接觸式傳感器熱傳導(dǎo)比較慢，有明顯的滯后，因此不宜采用。綜合考慮紅外線和光纖非接觸式溫度測溫儀的性價比，最終選擇了德國歐普±(Optris)紅外測溫儀CTLT20，其量程： -40℃ ～900 oC，響應(yīng)時間：150 ms,，誤差1％之內(nèi)，該測溫儀已進(jìn)行線性補(bǔ)償，線性度好，可以較好實(shí)現(xiàn)對溫度的采集。

　　紅外測溫儀輸出為0～10 V或者4～20 mA的模擬量，首先設(shè)置好模擬量與數(shù)字量之間對應(yīng)關(guān)系，即模擬量最小值對應(yīng)測溫儀溫度測量范圍的最小值，模擬量最大值對應(yīng)測溫儀溫度測量范圍的最大值；再利用PLC的A／D模塊進(jìn)行溫度采集，得到數(shù)字量的溫度值；最后，在PLC程序中判斷是否到達(dá)設(shè)定溫度值，并執(zhí)行相應(yīng)動作，同時在顯示屏上實(shí)時顯示相應(yīng)的溫度值和動作信息。

　　4)PLC程序設(shè)計

　　當(dāng)工件放好之后，按下觸摸屏上的啟動按鈕，夾緊氣缸夾緊工件，之后推料氣缸運(yùn)送工件到指定位置，然后啟動高頻機(jī)加熱，到設(shè)定溫度停止加熱，退回并松開工件進(jìn)行淬火，然后返回原點(diǎn)。如此循環(huán)，一步步自動執(zhí)行下去，省去了大量的人力與體力，大大提高了工作效率。

　　高頻淬火機(jī)械手主要有3種運(yùn)行方式：自動模式、手動模式、回原點(diǎn)模式。因此采用1個主程序和4個子程序塊，即把自動模式、手動模式、回原點(diǎn)模式和觸摸屏顯示控制部份，分別單獨(dú)設(shè)計成一個子程序。如果需要運(yùn)行哪種模式，在觸摸屏中按下相應(yīng)的按鍵，在主程序中就可以調(diào)用相應(yīng)子程序。采用子程序方法，可以減少系統(tǒng)的掃描時間，提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，同時增強(qiáng)程序的可讀性、可移植性，也方便了調(diào)試。

　　自動模式主要動作過程是順序動作，完成一步動作之后，再進(jìn)行下一步的操作，該控制系統(tǒng)是一個典型的步進(jìn)順序控制系統(tǒng)。對于步進(jìn)順序控制系統(tǒng)，常見的是采用步進(jìn)順序控制編程方法。而本次在梯形圖設(shè)計上采用移動指令與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能指令的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)順序控制。

　　PLC與觸摸屏通訊，很重要的一點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的監(jiān)控，能在觸摸屏中顯示相應(yīng)機(jī)械手的工作狀態(tài)和工件實(shí)時檢測的溫度。在觸摸屏中除了用指示燈的亮滅顯示機(jī)械手的狀態(tài)外，比較直觀的方法是用到人機(jī)界面上的可變文本功能?？勺兾谋纠锩鎯?nèi)容對應(yīng)PLC中的某個設(shè)定寄存器，如圖5可變文本功能對應(yīng)PLC中寄存器v4(觸摸屏中數(shù)據(jù)寄存器號4X地址516對應(yīng)海為PLC中數(shù)據(jù)寄存器V4)，例如數(shù)值V4中數(shù)值0對應(yīng)可變文本中文字“系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢”，v4中每個數(shù)值對應(yīng)可變文本中以設(shè)定好的某段文字，這樣機(jī)械手處于什么工作狀態(tài)，通過傳感器感應(yīng)，然后PLC讀取傳感器反饋的信息，通過程序處理，對寄存器v4賦一個特定值，在觸摸屏上就能顯示相應(yīng)文字，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手工作狀態(tài)的監(jiān)控。

5 實(shí)驗(yàn)

　　經(jīng)過調(diào)試，機(jī)械手能較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動作。工人操作簡單，遠(yuǎn)離高頻加熱區(qū)，并可直觀看到工件的實(shí)時溫度和機(jī)械手的操作步驟，因此大大減輕了勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高了工作效率。