李小賓，高 志

(華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237)

0 引言

國內內圓切片機主要通過單臺機器配合工人人工上下料進行生產(chǎn)，自動化水平較低，工人勞動強度較大。在工業(yè)自動化全面發(fā)展的今天，利用自動化設備取代人的勞動成為了必然趨勢[1-2]。因此提高內圓切片的自動化生產(chǎn)水平是十分有必要的。

以此為背景，本研究以提高內圓切片機的自動化水平為主要目的，提出了一種將改造后的內圓切片機并聯(lián)成機組并配合上下料機械手系統(tǒng)進行生產(chǎn)的全新生產(chǎn)模式。整個機械手系統(tǒng)以PLC為控制核心，并根據(jù)其所要完成的功能對其工作流程進行規(guī)劃，完成了其手動控制程序及自動控制程序的設計，實現(xiàn)了機械手系統(tǒng)的自動化控制。整個機組生產(chǎn)模式新穎，整體布局合理，功能原理先進，能夠大幅度提高內圓切片生產(chǎn)的自動化水平。

1 內圓切片自動化生產(chǎn)線整體方案

1.1 對原有內圓切片機的改造方案

原有內圓切片機主要由4個部分組成，包括電氣控制柜、進給系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)(如圖1所示)。主軸系統(tǒng)通過帶動與其相連的環(huán)形刀盤高速旋轉，工人將物料固定于刀架系統(tǒng)后，電器控制系統(tǒng)控制進給系統(tǒng)將物料送入刀盤內，利用物料在環(huán)形刀盤徑向方向與刀盤的相對運動實現(xiàn)對物料的切割。從以上工作流程可以看出原有內圓切片機的主要缺陷為上下料過程均由人工完成，自動化水平較低。因此對原有內圓切片機的改造主要集中在刀架系統(tǒng)，通過將人工上料夾緊方式改為由機械手上料后氣缸自動夾緊。另外為使整個產(chǎn)線的布局更為合理，也對其整體結構進行了一些改造。改造后的若干個內圓切片機以相同的間距放置在承載導軌上，其控制柜位于其下方。

1.電氣控制柜2.進給系統(tǒng)3.刀架系統(tǒng)4.主軸系統(tǒng)

1.2 內圓切片機組各系統(tǒng)整體布置方案設計

內圓切片機組整體主要包括導軌系統(tǒng)、改造后的內圓切片機以及機械手系統(tǒng)三個組成部分，將改造后的內圓切片機按相同的間隔布置在承載導軌上，一條承載導軌布置25臺機器。除承載導軌外，另一條導軌為機械手系統(tǒng)的運動軌道。機械手系統(tǒng)主要包括機械手主體、上料倉、下料倉以及帶動機械手沿導軌運動的小車。機械手主體又包括上料機械手和下料機械手。其整體布置簡圖如圖2所示。

圖2 機組整體布置方案簡圖

2 自動上下料機械手系統(tǒng)的設計

2.1 機械手系統(tǒng)的具體功能

一臺自動上下料機械手系統(tǒng)為一條生產(chǎn)線上的25臺內圓切片機自動上下料，物料放置在料倉中，料倉中總共有25個料槽，按5×5的格局布置。機械手依次移動到各個內圓切片機位置處為其上料。整個步驟完成的基礎是內圓切片機切割物料的過程耗時較長，在第一個物料切割完成之前足夠機械手完成為25臺切片系統(tǒng)的上料全過程。上料過程結束，機械手系統(tǒng)移動到上料初始位置并準備下料。下料過程由下料機械手完成，其工作流程與上料機械手原理相同。

2.2 機械手系統(tǒng)結構設計

自動上下料機械手系統(tǒng)的結構如圖3所示，此機械手系統(tǒng)包括兩個機械手:上料機械手和下料機械手，其結構大致相同，故只介紹上料機械手機構。上料機械手包括三個電機，Y軸電機、Z軸電機和手臂電機。Y軸電機負責機械手的延Y軸方向依次取完一排物料的運動過程。Z軸電機負責機械手的上下移動。手臂電機控制機械手手臂的旋轉運動。X軸電機負責上部機械手整體的運動，在一排物料取完后拖動機械手整體移到下一排物料位置處。除手臂電機以外，X、Y、Z三軸電機均配合滾珠絲桿將電機的回轉運動轉變?yōu)橹本€運動[3]。機械手手部通過氣缸的伸縮來完成對物料的夾緊和釋放。整個機械手系統(tǒng)通過行走小車實現(xiàn)從一個內圓切片機位置到另一個切片機位置的運動，行走小車通過驅動電機進行驅動，在其移動的過程中也要能夠保持較高的定位精度。X、Y、Z軸電機以及手臂電機由于在每個上料流程中移動的距離以及所驅動的負載都不是很大，故采用步進電機。驅動電機由于要驅動整個機械手系統(tǒng)在導向導軌上運動，驅動的負載較大，且移動的距離較長，考慮到負載大小以及移動距離和移動過程中的定位精度等因素，故采用交流伺服電機[4-5]。

圖3 自動上下料機械手系統(tǒng)結構

3 上下料機械手系統(tǒng)控制方案設計

3.1 機械手系統(tǒng)傳感器布置方案

由于上料機械手與下料機械手結構和原理均相同，故傳感器布置方案也相同，在此只介紹上料機械手運行部分的傳感器布置方案。傳感器布置示意圖如圖4所示，其中LS1和LS2為Z軸極限位置限位開關，LS3、LS4為Y軸極限位置限位開關，LS5、LS6為X軸極限位置限位開關。手臂電機控制機械手臂做旋轉運動，故不設置限位開關。CS1、CS2、CS3、CS4為接近開關，分別為各軸電機的原點位置監(jiān)測信號[6]。驅動電機的限位開關和接近開關布置在導向導軌上，作為驅動電機的極限位置信號和原點位置監(jiān)測信號。

圖4 傳感器布置方案示意圖

3.2 控制系統(tǒng)的硬件設計

機械手系統(tǒng)使用PLC進行控制。PLC主要實現(xiàn)對機械手系統(tǒng)中各步進電機運動位置的精確控制和夾緊氣缸電磁閥的控制。

同樣以上料機械手為例，上料機械手系統(tǒng)共有4個步進電機、一個伺服電機和一個手部夾持氣缸。因此所選用的PLC控制組件應能夠同時控制4個步進電機及一個伺服電機，并且輸入輸出點數(shù)滿足要求。根據(jù)上料機械手系統(tǒng)控制程序，PLC控制系統(tǒng)輸入輸出分配如表1所示。

表1 系統(tǒng)輸入輸出分配表

此控制系統(tǒng)選用臺達PLC，一臺臺達PLC最多可控制4個步進或伺服電機，根據(jù)表1統(tǒng)計的輸入輸出信息可知，輸入信號為28個，輸出信號為13個。選用PLC時，輸入輸出要預留10%～20%的可擴展余量[7]。I/O點數(shù)經(jīng)計算后，確定選用臺達DVP64EH00T3系列PLC和一個DVP01PU-H2單軸伺服定位控制擴展模塊。DVP64EH00T3系列PLC有4個高速脈沖輸出口分別控制4臺步進電機。DVP01PU-H2定位控制模塊用來控制驅動電機，驅動電機的左右極限限位開關以及原點位置監(jiān)測的接近開關均連接在此定位控制模塊上[8]。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計是控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心任務，整個控制程序由原點回歸程序、手動控制程序和自動控制程序三部分組成，分別控制整個機械手系統(tǒng)進行原點回歸動作、手動運行和自動運行的實現(xiàn)。

3.3.1 原點回歸程序設計

本控制系統(tǒng)中原點回歸程序的主要作用為在機械手自動運行之前使機械手系統(tǒng)的各軸電機回到其各自的原點，這些點即為各軸電機的絕對坐標零點，后續(xù)的自動控制所使用的絕對定位指令均以此點作為參照點從而實現(xiàn)各軸電機精確位置控制。X、Y、Z軸電機以及手臂電機的原點回歸采用原點回歸指令DZRN實現(xiàn)。驅動電機由DVP01PU-H2定位控制模塊控制，此模塊可設置為原點回歸模式， 通過向此模塊特定控制寄存器中寫入特定的值從而實現(xiàn)控制驅動電機實現(xiàn)原點回歸功能。

3.3.2 手動控制程序設計

手動控制程序可以對各個電機分別進行控制，當要對各電機的參數(shù)進行調整或機械手系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)緊急情況導致自動運行過程停止，需要調整各個電機運行位置時，都要在手動模式下進行。對X、Y、Z軸電機和手臂電機的手動控制運用PLSY指令，正轉和反轉輸入接點的選擇見表1，同時對電機的正轉和反轉進行了互鎖設置。驅動電機手動控制的運動模式設置為JOG寸動運動模式，運用相對坐標定位方式，同樣設置了正反轉互鎖。

3.3.3 自動控制程序設計

自動控制要求上料機械手依次完成對25臺切片系統(tǒng)的上料，首先要合理的設計自動控制流程。根據(jù)上料機械手工作流程編寫的PLC程序流程圖如圖5所示。自動控制程序中進行了強制回原點設置。PLC通電后，首先按下原點回歸按鈕，原點回歸完成后，各軸電機的原點作為其定位運動的絕對坐標零點。料倉中物料以5×5格局排列，kyi表示一排物料中第i個物料相對于Y軸電機原點的絕對坐標位置，自動控制按鈕按下后整個機械手動作的過程如圖5所示，其中Y軸電機為每個切片系統(tǒng)上料時所要移動的絕對位置kyi隨寄存器D0中的值變化而變化，這樣就能夠使上料機械手依次夾取一排物料中的各個物料。對計數(shù)器C0、C1的值進行判斷，根據(jù)不同的對比結果執(zhí)行相應的操作[10]一步最為關鍵。當一排物料用完后，計數(shù)器C0的值為5，PLC驅動X軸電機

圖5 自動控制程序流程圖

拖動上部機械手移至下一排物料位置處。此時由于上部機械手的位置移動了一個料槽間距，驅動電機在拖動機械手系統(tǒng)移動到下一切片單元處時定位位置應同時改變一個料槽間距，此過程通過將值kdi寫入定位控制模塊的控制寄存器CR#23、24中來實現(xiàn)。上部機械手系統(tǒng)按此上料流程循環(huán)，依次完成對25臺切片單元的上料。上料完成后，X軸電機回到其零點位置，驅動電機拖動機械手系統(tǒng)回到上料起始位置，此功能同樣是通過向寄存器中寫入相應的值來實現(xiàn)。通過此自動控制程序流程圖可以編寫出自動控制程序的步進梯形圖。

4 結束語

(1)針對現(xiàn)有內圓切片機生產(chǎn)效率和自動化水平低的問題，改造了原有小型內圓切片機的結構，將改造后的內圓切片機并聯(lián)，配合設計的自動上下料機械手組成內圓切片機組，并對機組整體布置方案進行了設計。

(2)設計了自動上下料機械手的整體結構，并對其控制系統(tǒng)軟硬件進行了設計，實現(xiàn)了機械手系統(tǒng)全自動控制。

(3)本設計大大提高了內圓切片的自動化生產(chǎn)水平，同時也提高了內圓切片的生產(chǎn)效率。