引言

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，專用機(jī)床是工件大批量生產(chǎn)的有效工具，數(shù)控機(jī)床、加工中心等是工件多品種小批量生產(chǎn)的重要裝備。但除切削加工等工藝外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。若將PLC 控制運(yùn)用于工業(yè)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床之間高溫、笨重等工件的搬運(yùn)，使高溫、笨重等工件的搬運(yùn)過程自動(dòng)化，則可代替人手做繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。為作業(yè)的自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保障工人人身安全奠定了基礎(chǔ)。

1 機(jī)床工件搬運(yùn)機(jī)械手的概述

　　1.1 機(jī)械手性能參數(shù)

　　機(jī)械手能夠配合機(jī)床( 如鍛床、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、裝配線等) 進(jìn)行重量不大于100kg 的圓柱形、板材或其他形狀金屬工件的搬運(yùn)工作，整體至少有3個(gè)自由度( 李允主，1996) 。機(jī)械手作業(yè)場景: 將已鍛造成型的工件從一個(gè)工位搬運(yùn)至另一工位，工件的運(yùn)動(dòng)軌跡無特殊要求，手部的運(yùn)動(dòng)軌跡較簡單，即實(shí)現(xiàn)簡單的“抓—放”作業(yè)。

　　1.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式

　　機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式: 小臂伸縮，大臂擺轉(zhuǎn)，大臂升降，手部夾持。其坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)，如圖1主視圖和圖2俯視圖所示。機(jī)械臂是水平或垂直的懸臂梁，當(dāng)夾持較重物體，伸出較長時(shí)，臂部所受彎矩很大，機(jī)械臂應(yīng)具有較高的抗彎強(qiáng)度; 當(dāng)夾持物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂本體加上工件一起，對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此，機(jī)械臂的重量應(yīng)較輕; 驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)選方便安裝，易拆卸。機(jī)械臂抓重較重，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，所需力和力矩較大，故用液壓驅(qū)動(dòng)，選用液壓缸或液壓馬達(dá)為執(zhí)行元件。

圖1 機(jī)械手主視圖

圖2 機(jī)械手俯視圖

2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　2.1 液壓回路的設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手動(dòng)作順序: 從原位開始—右轉(zhuǎn)—升降臂下降—伸縮臂伸出—夾持器夾緊—升降臂上升—左轉(zhuǎn)—升降臂下降—夾持器松開—伸縮臂縮回—升降臂上升，到原位。若為單循環(huán)模式下運(yùn)行，則原位等待，若為連續(xù)循環(huán)模式，則進(jìn)入下一個(gè)周期。上述動(dòng)作均由行程開關(guān)或壓力繼電器發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次順序動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)。擬定的液壓系統(tǒng)圖如圖3。

圖3 液壓系統(tǒng)控制圖

　　2.2 液壓系統(tǒng)分析

　　1) 夾持器采用單出桿雙作用缸，保證運(yùn)動(dòng)過程中夾緊工件，當(dāng)夾持器夾緊工件后，由液控單向閥組成的鎖緊回路可在意外失電的情況下，保持對工件的夾緊;

　　2) 小臂回轉(zhuǎn)采用擺動(dòng)液壓缸，正反方向均采用單向調(diào)速閥調(diào)速。由于回轉(zhuǎn)部分的重量大，懸臂較長，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，手臂回轉(zhuǎn)時(shí)具有很大的動(dòng)能。因此，采用調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速，有緩沖作用;

　　3) 手臂伸縮采用單出桿雙作用缸，手臂伸出時(shí)，由單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，回油路調(diào)速閥的設(shè)置可以完成緩沖作用;

　　4) 手臂升降運(yùn)動(dòng)采用單出桿雙作用缸，上升和下降均由單向調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速。因?yàn)樯蹈诪榱⑹剑谄湟簤焊紫虑挥吐分邪惭b單向順序閥，避免因整個(gè)手臂的自重而下降，起平衡作用。

3 PLC 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 PLC 的選型

　　3.1.1 I /O 點(diǎn)數(shù)的估算

　　機(jī)械手采用行程開關(guān)進(jìn)行位置檢測，根據(jù)圖3所示，PLC 需要對電磁閥進(jìn)行控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)行程之后，使某一電磁鐵得電或失電，使液壓缸換向。輸入輸出點(diǎn)如表1 。

　　3.1. 2 PLC 機(jī)型選擇

　　由上表1 知: 輸入20 點(diǎn)，輸出9 點(diǎn)，總點(diǎn)數(shù)為29。留出20 %的余量: 總點(diǎn)數(shù)為29+6=35點(diǎn)。故選擇40 點(diǎn)的CPM2A-40CDR-A繼電器觸點(diǎn)輸出型的CPU 單元，有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出。程序容量: 8×35=280字(普通系統(tǒng)K=8) 。根據(jù)所選歐姆龍的CPM1A-40CDR-A系列的內(nèi)部元件及輸入輸出的相關(guān)元件、設(shè)備，編制出PLC接線圖，如圖4所示。

圖4PLC 接線圖

　　3.2 程序設(shè)計(jì)

　　程序功能: 泵單按鈕起動(dòng)，泵起動(dòng)后，機(jī)械手才能有動(dòng)作; 操作分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，自動(dòng)模式又分為單周期運(yùn)行和連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，手動(dòng)采用點(diǎn)動(dòng)方式，機(jī)械手在等待狀態(tài)流程圖如圖5 所示。

圖5 狀態(tài)流程圖

　　3.3 助記符程序:

　　LD 00108 泵起停　　DIFU( 13) 2000　　LD2000　　LD2000　　AND 01100　　KEEP( 11) 01100 泵單按鈕起停控制　　LD NOT 00201　　AND NOT 00202　　AND NOT 00203　　AND NOT 00204　　AND NOT 00205　　AND NOT 00206　　AND NOT 00207　　AND NOT 00208　　AND NOT 00209　　AND NOT 00210　　AND 01100　　OUT 00200 手動(dòng)等待/自動(dòng)切換( 按下起動(dòng)按鈕00008 為ON 后，自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模式)　　LD 00210　　AND 00009　　AND 00003　　LD 00200　　AND 00008　　OR LD　　OR 00201　　AND NOT 00202　　AND NOT 00007　　OUT 00201 工步1　　LD 00201　　OR 00202　　AND 00000　　AND NOT 00203　　AND NOT 00007　　OUT 00202 工步2　　LD 00202　　OR 00203　　AND 00004　　AND NOT 00204　　AND NOT 00007　　OUT 00203 工步3　　LD 00203　　AND 00104　　OR 00204　　AND NOT 00205　　AND NOT 00007　　OUT 00204 工步4( 部分)

4 小結(jié)

　　可編程控制器作為新一代的工業(yè)控制裝置，具有開發(fā)柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。將PLC 控制運(yùn)用于工業(yè)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)機(jī)床之間，高溫、笨重工件的搬運(yùn)，使工件生產(chǎn)自動(dòng)化，則可代替人手做繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，為作業(yè)的自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保障工人人身安全奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)兼具有使用靈活、調(diào)試方便，減少了維修工作量，提高了搬運(yùn)效率，具有整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。