0 引言

　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強度的同時，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。前者費時費工、效率低；后者因設(shè)計復(fù)雜，需較多繼電器，接線繁雜，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控制的上下料機械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)動作簡便、線路設(shè)計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性，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)的上下料機械手采用關(guān)節(jié)式整體結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動平穩(wěn)的特點，可以方便地實現(xiàn)無級調(diào)速。該裝置抓取工件質(zhì)量可達40～50kg，工作范圍為橫向1.2m、縱向0.8m。

圖1 機械手的機械結(jié)構(gòu)簡圖

　　系統(tǒng)啟動時，首先進行自檢，若設(shè)備正常，則機結(jié)束信號傳來時，機械手開始動作，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→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?？刂葡到y(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)。

圖2機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　驅(qū)動系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動，該系統(tǒng)能實現(xiàn)機械手的自動運行、手動調(diào)節(jié)，同時保證了整機動作迅速、平穩(wěn)，特別是滿足了機械手伸縮臂的動作精度、需承受大負(fù)載及運動性能等方面的特殊要求。

　　執(zhí)行系統(tǒng)由升降機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、手臂伸縮機構(gòu)、手部夾持機構(gòu)、定位機構(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(圖1)，在其中一夾持機構(gòu)卸料后，手臂旋轉(zhuǎn)一定角度，另一夾持機構(gòu)上料，在兩次上下料之間機械手臂往返各一次，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

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

　　3.1 液壓驅(qū)動系統(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作的控制，是由雙作用式活塞缸配合凸輪和連桿機構(gòu)組合驅(qū)動，實現(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實現(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和大、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現(xiàn)動作的換接控制。同時還設(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)控制信號的數(shù)量，本系統(tǒng)選用三菱FxON-60MR-D型可編程控制器。該PLC自帶編程器，能實現(xiàn)離線及在線編程，還可以結(jié)合實際的工程要求，調(diào)整控制程序，實現(xiàn)機械手的不同動作，實現(xiàn)了柔性化設(shè)計。

　　該機械手在PLC控制下可實現(xiàn)手動、連續(xù)動作兩種工作方式，主程序流程圖如圖4所示，手動方式是指利用按鈕對機械手每步動作單獨進行控制，連動方式是指機械手根據(jù)控制信號自動循環(huán)執(zhí)行每步動作，直至收到停止信號。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)工序要求，通過旋轉(zhuǎn)按鈕確定機械手的工作方式，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4 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)計中機械手的特點，要求每一個動作嚴(yán)格按順序執(zhí)行，因此采用步進指令編寫，可保證機械手的運行有條不紊，即使出現(xiàn)誤動作也不會造成混亂，圖5即為機械手動作過程控制的梯形圖。其動作執(zhí)行過程如下：系統(tǒng)啟動，機械手處于待料狀態(tài)，獲得取料信號后機械手開始動作，從原點出發(fā)按工序自動循環(huán)工作，直到收到停止信號，機械手在完成最后一個周期的工作后返回原點，自動停機。

圖5機械手動作過程控制梯形圖

　　為避免因壓力不足或機械手動作不到位造成的誤動作，系統(tǒng)設(shè)置了延時報警系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6延時報警系統(tǒng)梯形圖

　　當(dāng)某一液壓缸因故障被卡超過設(shè)定時限，延時報警系統(tǒng)將動作:設(shè)YS為控制該缸動作的繼電器，XS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的動合觸點接通，首先接圖6延時報警系統(tǒng)梯形圖通Y18，切斷電源，停機。因故障排除按鈕為動作，內(nèi)部繼電器RO未導(dǎo)通，則Y16接通，與之相連的報警蜂鳴器通電發(fā)聲報警，與此同時，8901 C導(dǎo)通后周期性地通斷，通過已接通的功導(dǎo)通Y17，使與之相連的報警指不燈不停閃爍，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，蜂鳴器停止報警，報警燈熄滅。

4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用PLC對數(shù)控機床上下料機械手進行控制，實現(xiàn)了手動、連動、互鎖、狀態(tài)顯示、延時報警等功能，具有較強的抗干擾能力和良好的可靠性。經(jīng)調(diào)試檢驗，該系統(tǒng)運行符合程序設(shè)計要求，具有良好的協(xié)調(diào)運行性能。