三軸沖壓機器人的制作

劉洪軍

【摘 要】本文采用S7-200SMART作為主控制器，驅動三臺伺服電機，并采用諧波減速機、高精密的滾珠絲桿以及線性導軌的緊密配合，設計了一種三軸沖壓機器人，可以代替人工實現機床的自動上下料工作，降低了人工成本，大大提高了工作效率。

【關鍵詞】三軸；上下料

0 引言

沖床在本質上就是一臺沖壓式壓力機，沖壓工藝與傳統機械加工相比，具有節約材料和能源，效率高等優點，因此在機械加工生產中被廣泛應用。目前我國大多數沖床的操作都是由人工完成，由于沖床具有速度快、壓力大的特點，因此采用沖床作加工時具有一定的危險性，操作人員必須遵守相應的安全操作規程，以防止誤操作，確保人身安全。

隨著工業機器人技術的發展，使用機器人替代人工生產，成為安全生產、提高效率、節約人力的一種趨勢[1]。本文設計的三軸沖壓機器人就是根據沖壓生產工藝的特點，專門為實現沖壓自動化無人生產而研發的設備，能夠取代人工在各個沖壓工位上進行物料的上下料等工作。從而能確保安全產，并提高生產效率[2]。

1 硬件總體設計

三軸沖壓機器人控制系統的主要組成部分包括控制系統主控板、伺服電機驅動器、伺服電機、電磁吸盤及啟動停止按鈕等組成，三軸沖壓機器人的組織架構圖如圖1所示。

1.1 主控制器

主控制器采用S7-200SMART，這款控制器可以控制各種自動化應用，結構緊湊、成本低廉且具有功能強大的指令集，這使其成為控制小型應用的完美解決方案[3]。S7-200 SMART CPU模塊本體直接提供三軸100KHZ高速脈沖輸出，通過強大靈活的設置向導可組態為PWM輸出或運動控制輸出，為步進電機或伺服電機的速度和位置控制提供了統一的解決方案[4]，滿足小型機械設備的精確定位需求。本文選用S7-200 SMART PLC，其具體型號為ST40，該型號PLC內部有三個軸可以配置，控制沖壓機器人三個軸上的伺服電機，軸0控制橫臂前后伸縮的X軸，軸1控制升降臂上下運動的Y軸，軸2控制旋轉軸Z軸。

1.2 伺服電機驅動器及電機

本文設計的三軸沖壓機器人三個軸上的伺服電機及其驅動器選用西門子SINAMICS V80伺服驅動系統，包括伺服驅動器和伺服電機兩部分，伺服驅動器總是與其對應的同等功率的伺服電機一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發來的脈沖序列，進行速度和位置的控制，通過數字量接口信號來完成驅動器運行的控制和實時狀態的輸出[4]。

1.3 電磁吸盤

電磁吸盤是一種用電磁原理，通過使內部線圈通電產生磁力，將接觸在面板表面的工件緊緊吸住的，通過線圈斷電，磁力消失實現退磁，取下工件的原理而生產的一種機床附件產品。本文采用4個直流24V電磁吸盤安裝在吸盤治具上，由控制系統PLC輸出點控制電磁吸盤的得電與斷電，從而可以實現5KG以內的產品的吸附搬運工作。

1.4 傳動系統

傳動部分通過滾珠絲杠、線性導軌以及同步帶等設備將伺服電機的轉動變成三個軸的伸縮、上下以及旋轉擺動運動。傳動系統的設計，主要包括主控制器以及X軸前后伸縮傳動、Y軸上下傳動和Z軸的旋轉擺動傳動設計。三軸沖壓機器人外觀圖如圖2所示：

2 軟件總體設計

軟件設計步驟如下：

（1）根據系統工作要求，配置三軸運動控制的初始化配置，為實現三軸運動的精確控制做好準備；（2）建立運動順序功能圖，把各種控制指令的動作順序以及他們之間的聯動控制等關系確定下來；（3）根據工作要求，把系統所有PLC控制的輸入和輸出信號定下來；（4）進行編程并調試

2.1 三軸運動控制的初始化配置

編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART提供的位控向導可以很方便地完成PWM、PTO的組態。該向導可以生成位控指令，用這些指令在應用程序中對速度和位置進行動態控制。運動控制向導可以提供三個軸脈沖輸出的設置，脈沖速度從20HZ到100HZ可調。

2.2 運動控制順序

三軸沖壓機器人的主要功能是實現物料的上下料工作，其工作流程基本為：X軸伸出到位、Y軸上升到位、Z軸擺動到位、Y軸下降到位、電磁吸盤吸附物料、Y軸上升到位、Z軸回擺到位、Y軸下降到位、吸盤放下物料，這樣完成一次物料的上下料工作。

3 結束語

本文設計的三軸沖壓機器人，是一款可以代替人工實現機床自動上下料的自動化裝置。它采用高精密的全伺服電機驅動，定位準確；采用進口諧波減速機、高精密的滾珠絲桿以及導軌的緊密配合，使得運行穩定、精準，而且耐磨性強，使用壽命強，可完成復雜的運動控制。隨著機器人技術的發展和功能的不斷完善，將會有越來越多的機器人進入工廠車間，替代人工，實現安全、高效率的自動化生產。

【參考文獻】

[1]譚仲海.基于工業機器人的沖壓自動上下料系統的設計[J].企業科技與發展，2015.10.

[2]徐麗春.自動上下料通用機械手系統設計與研究[J].液壓與氣動，2013.8.

[3]王學良.基于PLC的機械手自動上下料控制系統設計[J].智能控制技術，2016.2.

[4]向曉漢.S7-200SMART PLC完全精通教程[M].機械工業出版社，2013.8.endprint