丁錦宏 張 慧

(江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南通 226007)

0 引言

目前，數(shù)控機(jī)床上下工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，數(shù)控車床的高效率特性難以充分發(fā)揮。為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，適應(yīng)批量生產(chǎn)的需要，本文針對(duì)套筒類零件車外圓和端面的生產(chǎn)工藝，利用自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)上料機(jī)械手，代替人工上料工作，提出了基于PLC、使用步進(jìn)電機(jī)和氣缸的一種自動(dòng)上料解決方案。

1 工藝過(guò)程分析

自動(dòng)上料機(jī)械手的工藝過(guò)程為工件抓取——轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)45°后待命——轉(zhuǎn)臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°到達(dá)送料位置——推料等四個(gè)步驟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)上料。待命位置是為了縮短送料的時(shí)間。上料機(jī)械手由氣動(dòng)手爪、氣缸1、步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)臂、氣缸2組成。氣缸1控制手爪的伸縮、步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)、氣缸2將工件從手爪內(nèi)推出，其中的手爪為氣動(dòng)手爪。機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示［1］。

圖1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的工作原理如圖2所示。初始位置為轉(zhuǎn)臂處于垂直位置，手爪放松，氣缸1縮回，氣缸2縮回。其運(yùn)行過(guò)程如下:首先，機(jī)械手處于初始位置。在PLC接收到機(jī)床加工結(jié)束信號(hào)后，氣缸1伸出，手爪夾緊，完成工件抓取動(dòng)作;然后步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)45°后停止，處于待命位置，等待卸料機(jī)構(gòu)卸料結(jié)束;PLC接收到卸料結(jié)束信號(hào)后(卸料系統(tǒng)在本文中不加以敘述)，轉(zhuǎn)臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，到達(dá)送料位置，此時(shí)工件中心線與車床主軸中心線重合，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行;接著氣缸2伸出，將工件推送一定距離、到達(dá)指定位置后縮回，完成上料任務(wù);然后手爪放松，氣缸1縮回，轉(zhuǎn)臂順時(shí)針回轉(zhuǎn)90°，到初始位置。這樣又可以開始等待下一循環(huán)的動(dòng)作。

圖2 機(jī)械手工作原理

2 步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)及順序動(dòng)作兩個(gè)部分構(gòu)成。

機(jī)械手在送料位置時(shí)，手爪中心(即工件中心)的位置精度取決于轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)精度和氣缸1的位置精度。一般，氣缸的位置控制是利用行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法的定位精度較差。為保證在送料位置的工件中心線與車床主軸中心線之間的偏移控制在一定的范圍內(nèi)，該機(jī)械手使用步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)，提高手爪的定位精度。

PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制有三個(gè)方面［2］。一是電機(jī)轉(zhuǎn)角控制，轉(zhuǎn)角與所輸入的控制脈沖數(shù)成正比;二是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，該機(jī)械手轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度等于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。因此，可以根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的轉(zhuǎn)速，從而確定PLC輸出的脈沖頻率;三是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，可以通過(guò)PLC輸出的方向控制信號(hào)，改變步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的環(huán)形分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)方向與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相同。

本系統(tǒng)選用三菱FX1N-14MR-0001 PLC作為控制器，選用安川 CA4050步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、安川42HD0402步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象。PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的連接圖如圖3所示。

圖3 PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)連接圖

PLC的Y0端子向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，Y1端子向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出正反轉(zhuǎn)的方向控制信號(hào)。使用PLC內(nèi)部的24 V直流電壓輸出端子作為開關(guān)電源的輸入電壓，由開關(guān)電源為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供5 V直流電壓。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)輸出端子分別與步進(jìn)電機(jī)的A相和B相正負(fù)端子相連接。

步進(jìn)電機(jī)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在圖4中，S22為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)狀態(tài)，M0為步進(jìn)電機(jī)正向脈沖中間變量，當(dāng)發(fā)出的脈沖數(shù)滿足轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度45°要求時(shí)，M8029置“1”，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S24為另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)狀態(tài)，M1為步進(jìn)電機(jī)正向脈沖中間變量，當(dāng)發(fā)出的脈沖數(shù)滿足轉(zhuǎn)臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)角度45°要求時(shí)，M8029置“1”，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S28為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，Y1為步進(jìn)電機(jī)反向控制信號(hào)，當(dāng)Y1=“1”時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行，當(dāng)發(fā)出的脈沖數(shù)滿足臂旋返回90°要求時(shí)，M8029置“1”，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。

3 順序控制分析

順序控制主要完成上料機(jī)械手的順序邏輯控制功能。PLC的輸入輸出信號(hào)及地址分配如表1所示。

表1 輸入輸出信號(hào)及地址表

順序控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示［3］。

在圖5中，M8002為PLC的初始化脈沖。PLC上電并檢查初始位置后，便處于初始狀態(tài)S0。在機(jī)床開始加工的同時(shí)，氣缸伸出取料，手爪夾緊，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出正轉(zhuǎn)脈沖，使轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)45°后待命，待卸料結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)再次發(fā)出正轉(zhuǎn)脈沖，使轉(zhuǎn)臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°，到達(dá)送料位置，氣缸2伸出，完成送料動(dòng)作后縮回到原處。此后，手爪松開，氣缸1縮回，PLC向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)脈沖及反轉(zhuǎn)信號(hào)，當(dāng)發(fā)出的脈沖數(shù)滿足轉(zhuǎn)臂反轉(zhuǎn)90°要求時(shí)，M8029置“1”，使轉(zhuǎn)臂回到初始位置。

圖5 順序控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 速度、脈沖的控制程序

在上述順序控制梯形圖的基礎(chǔ)上，添加圖6所示的控制程序，使PLC產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

圖6 速度、脈沖的控制程序

三菱PLC有兩個(gè)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的指令，即PLSY和PLSR。根據(jù)該機(jī)械手的運(yùn)行速度情況，選用PLSY指令。該指令有三個(gè)操作數(shù)，分別為脈沖頻率、脈沖數(shù)和輸出端子號(hào)。

脈沖頻率的大小決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，即轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)實(shí)際情況，兼顧效率因素，取電機(jī)轉(zhuǎn)速n=60轉(zhuǎn)/分。此例中，步進(jìn)電機(jī)步距角α=1.8°，對(duì)應(yīng)的脈沖頻率

根據(jù)轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度大小，計(jì)算出需要的脈沖數(shù)。因?yàn)殡姍C(jī)步距角α=1.8°，則轉(zhuǎn)動(dòng)45°的脈沖數(shù)為，轉(zhuǎn)動(dòng)90°的脈沖數(shù) N2 為50。

Y0為脈沖輸出端子。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文用三菱PLC作為控制核心，采用步進(jìn)電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床上料機(jī)械手的控制方案。實(shí)踐證明，該方案定位精確度能滿足工作要求，機(jī)械手運(yùn)行自動(dòng)化程度高，性能可靠，并在車床加工的同時(shí)進(jìn)行取料，并在靠近上料位置等待取料結(jié)束，從而縮短上料時(shí)間。該機(jī)械手特別適用于加工節(jié)拍較短的數(shù)控加工場(chǎng)合。

［1］關(guān)明.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012(14):25-26.

［2］吳晨曦，蔣嶸.基于PLC-伺服驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2008(4):84-86.

［3］廖曉梅.三菱PLC編程技術(shù)及工程案例精選［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:8-17.