數控車床氣壓機械手臂的PLC控制系統

摘 要：本文以數控車床的上下料機械手臂為研究對象，采用可編程控制器（PLC）對其氣壓的驅動裝置進行電氣控制，實現了系統的智能化和柔性化。對系統的工作原理及機械結構、氣壓驅動和PLC控制方案等方面進行了較為詳盡的論述。

關鍵詞：自動化上下裝料； PLC； 氣壓系統

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2015）03-170-002

隨著現代工業自動化的發展，出現了各種數控加工中心，它在減輕工人勞動強度的同時，大大提高了勞動生產率。但以往數控加工中常見的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率比較低；后者因設計復雜，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。為解決這些問題，我們研究開發了一套采用可編程序控制器PLC控制的裝料機械控制系統。該系統動作簡單可靠、線路設計實用合理、具有極強的抗干擾能力，保證了系統運行的可靠性，降低了維修率，并提高了工作效率。

一、系統工作原理

本系統的上下料機械手采用料斗，搬運和上下料組件的整體結構，這種料斗可通過調節通道尺寸變動料件的規格，具有結構緊湊、運動平穩準確的特點，可以方便地實現無級調速。本設備抓取工件質量可達1kg，工作范圍為橫向1m，縱向0.9m，并且可以調節距離范圍。

系統開機啟動時，先進行自檢，若機器正常，則機械手處于待料位置，泵站電機處于卸荷狀態。當加工開始信號傳來時，機械手臂開始動作，其具體行動過程如下：原始位置→機械臂伸出→開關發出料到位信號→真空吸盤松開（放料）→尾架合攏（同時卡盤夾緊工件，機床開始加工）→托爪退出→送料架升起→托爪復位→加工結束（主軸動力脫開，剎車進入）→機械手進入取工件→機械手真空吸盤吸住工件→尾架剎車退出→機械手將工件拔出→機械手將工件取出→機械手把工件搬運到下一工位→機械手真空吸盤松開工件→機械手復位，系統原位卸荷。[1]

二、系統結構組成

機械手的整個系統主要由控制系統、驅動系統和執行系統三部分組成。

控制系統主要包括：位置檢測裝置、可編程控制器、主控柜及主控面板（狀態顯示和操作按鈕）。驅動系統采用全氣壓驅動，該系統可以實現機械上下料的自動運行、手動調節，同時保證了整機動作迅速、平穩，特別是滿足了機械手的動作位置精度、需承受大負載強度及運動性能等方面的特殊要求。

執行系統由升降機構、回轉機構、手臂伸縮機構、吸盤夾持機構、定位機構等組成，整體為擺動關節結構。與傳統的上下料機械手不同的是：該系統采用了具有兩個夾持結構的手臂設計，一個負責上料，一個負責下料，在其中一夾持機構卸料后，另一夾持機構搬運工件至下一個工位，在上下料之間機械手臂往返各一次，與傳統的往返各兩次比較更加節省時間，效率更高。

三、系統軟硬件的設計

整個機械手的控制，是通過向系統提供符合要求的開關信號來實現的。具體地講，就是按機械手的動作要求，PLC通過信號采集、控制氣壓系統的電磁換向閥的通斷電，實現裝置的自動或手動上下料。系統的硬件主要由機械本體、氣壓驅動系統、PLC控制系統組成，軟件系統主要通過PLC的編程實現。

（一）氣壓驅動系統

在該系統中，為防止各種干擾影響手指抓取工件，故采用雙泵供氣；手部的夾緊和松開動作的控制，是由真空吸盤配合凸輪和連桿機構組合驅動，實現工件的吸放；機械臂的擺動和移動則是由氣缸配合齒輪實現，上料兩個手臂可在相互垂直的兩平面內擺動，下料手臂可以旋轉180°；為防止突然斷電時手指松開和大、小臂晃動，在真空吸盤氣缸和手臂氣缸的控制回路中采用氣控單向閥，并在氣壓回路中配置限位開關、壓力繼電器和光柵位置傳感器來實現動作的換接控制。同時還設置急停、復位按鈕，以及防干擾的互鎖、故障報警等裝置。

（二）PLC控制系統

1.PLC程序在設計時的大致步驟

（1）如果選擇的PLC自身具有程序，需要細致的掌握程序所具有的功能，還有對于現有具體的滿足程度以及可修改性，最好選用PLC自身具有的程序。

（2）把全部和PLC有關的出入信號以及輸出信號分別進行列表，并且根據PLC內部接口的具體范圍，提供給每個信號一個相對確定的標號。

（3）對生產的工藝以及設備對于控制系統具體的要求進行細致的了解，畫出系統中每個功能過程具體的流程圖或者是工作的循環圖以及功能圖等等。

（4）依據PLC程序語言的具體要求，對梯形圖或者編寫的程序清單進行設計。梯形圖的上文符號需要按照現場的信號和PLC內部的接口對照表相關規定進行標注。

2.PLC程序在設計上的基本原則

（1）設計必須確保人身以及設備的安全。

（2）設計應當在確保操作人員以及設備安全的基礎上完成的。

（3）PLC程序進行安全的設計，這并不能夠代表其在硬件的相關安全保護能夠省略。

（4）PLC程序進行安全的設計，知識在軟件上給予了保護的功能，為防止軟件的工程異常以及在調試過程中因編寫錯誤而導致的事故，還應當在硬件內設計一個保護的功能。

（5）掌握PLC本身的特點。廠家不同，所設計的PLC的特點也有著差異，在具體的使用當中也會存在不同之處，所以要充分的掌握PLC本身具有的特點，方能正確的使用并且發揮出PLC應該具備的能力。

（6）設計好調試點以便調試。對于PLC程序進行的設計通常不是一次就能夠完成的，往往要通過分步進行反復的調試以及實驗。所以，在PLC程序的設計過程中，和普通的軟件設計一樣，要通過中間的寄存器設計相關的跟蹤標記以及斷點，這樣便于調試。

3.數控車床PLC系統的調試

（1）輸入的程序。依據不同的型號，PLC擁有很多種程序的輸入方法，比如，通過數控系統進行輸入，在PLC進行本地的輸入，通過外部的專用編程器進行輸入。

（2）對電器的線路進行檢查。一旦電氣在線路上的安裝出現錯誤，不但會對PLC程序調試的進度產生巨大的影響，并且很有可能會對元器件造成損害。所以，進行調試之前要細心的檢查系統中的電氣線路，尤其是電源。

（3）進行模擬調試。PLC處于數控系統和機床電器兩者之間，起到了承上啟下的過渡作用，一旦PLC的指令出現錯誤，就算電器的線路沒有出現錯誤，也很有可能導致事故，造成設備的損壞。

（4）進行運行的調試。接通相關功率器件的動力，比如電動機以及它的驅動器強電以及氣壓等等，根據具體運行的要求進行調試，進行運行調試的過程中，要注意機械和電氣之間的有效配合。

（5）非常規的調試，對安全保護以及報警功能進行驗證，在主軸的運行過程中，按下刀具松按鈕，注意PLC設計的相關保護的功能是不是有效。另外，在運行當中接入各個單元的報警信號，主要PLC程序是不是可以比較正確的報警，并且保護好相對應的單元。[2]

4.本車床PLC控制系統。根據系統控制信號的數量，本系統選用三菱FX型可編程控制器。該PLC自帶編程器，能實現離線及在線編程，還可以結合實際的工程要求，調整控制程序，實現機械手的不同動作，實現了柔性化設計。

該機械手在PLC控制下可實現手動、連續動作兩種工作方式，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控制信號自動循環執行每步動作，直至收到停止信號。系統啟動后，根據工序要求，通過旋轉按鈕確定機械手的工作方式，如果選擇單動則執行手動程序，否則默認執行連續程序。PLC的自動控制程序的編寫方法有很多種，根據本次設計中機械手的特點，要求每一個動作嚴格按順序執行，因此采用步進指令編寫，可保證機械手的運行有條不紊，即便出現誤動作，也不會造成混亂，其動作執行過程如下：系統啟動，機械手處于待料狀態，獲得取料信號后機械手開始動作，從原點出發按工序自動循環工作，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。[3]

四、結束語

本系統采用PLC對數控車床上下料機械手進行控制，實現了手動、連動、互鎖、狀態顯示、延時報警等功能，具有較強的抗干擾能力和良好的可靠性。

參考文獻：

[1]張波等.多功能上下料用機械手液壓系統[J]液壓與氣動，2002（2）：31～32

[2]吳玉香，周東霞，林錦赟.嵌入式軟PLC系統的研究和實現[J]計算機工程，2009，35（10）

[3]朱春波等.PLC控制的氣動上下料機械手[J]液壓氣動與密封，1999，78（6）：21～24