基于氣動和PLC控制技術(shù)的模具標(biāo)準(zhǔn)件分裝機(jī)械手自動線研發(fā)

張濤川

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源 517000)

近年來，隨著我國沿海地區(qū)的勞動力成本的不斷上升，勞動密集型的制造業(yè)對于升級自動化設(shè)備、降低普工數(shù)量的需求驟然猛增。筆者受某大型成套模架生產(chǎn)企業(yè)的委托，開發(fā)了一套基于氣壓驅(qū)動、變頻傳送、步進(jìn)驅(qū)動技術(shù)，以PLC控制技術(shù)為核心機(jī)械手分裝自動線設(shè)備，可以代替人工分揀分裝，實(shí)現(xiàn)模具導(dǎo)套、導(dǎo)柱、回位彈簧等標(biāo)準(zhǔn)件的自動化分揀分裝，減少了企業(yè)對普工的需求，提高了勞動生產(chǎn)效率，為企業(yè)增加了效益。

1 分裝自動線工作要求

本自動線的工作任務(wù)是代替人工分裝方式，將如圖1所示的模具典型標(biāo)準(zhǔn)件——模具導(dǎo)套進(jìn)行分裝，采用自動線工作方式，按照2×2的方式分盤分裝，分裝所用的工藝分裝盤的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 自動線整體設(shè)計(jì)方案

本自動線的工作流程設(shè)計(jì)方案如圖3所示，自動線采用“送件——取件——分裝——轉(zhuǎn)運(yùn)”的工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動線主要由氣動送料機(jī)構(gòu)、變頻輸送帶機(jī)構(gòu)、五自由度分裝氣動機(jī)械手等主要機(jī)構(gòu)構(gòu)成，并有兩個(gè)工作區(qū)，分別是分裝工作區(qū)和轉(zhuǎn)運(yùn)工作區(qū)。

該機(jī)械手分裝自動線的具體工作流程設(shè)計(jì)方案是:

(1)系統(tǒng)開機(jī)，五自由度機(jī)械手進(jìn)行初始化，各傳感器部件進(jìn)行自檢，各氣缸進(jìn)行測試動作，初始化檢測完畢后，方可啟動系統(tǒng);

(2)系統(tǒng)啟動后檢測到取件臺2無工件，同時(shí)柱形垂直供料倉11有工件(導(dǎo)套等標(biāo)準(zhǔn)件)，則啟動變頻器驅(qū)動輸送帶9運(yùn)轉(zhuǎn);

(3)工件送料氣缸12頂出，工件推出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)10一方面擋住柱形垂直供料倉11剩余工件不落料，同時(shí)引導(dǎo)工件送料氣缸12頂出的工件進(jìn)輸送帶9，頂出到位后，工件送料氣缸12復(fù)位，工件推出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)10復(fù)位，柱形垂直供料倉11中的工件在重力作用下自動落料;

(4)工件進(jìn)入輸送帶9后，在輸送帶9的傳送下，經(jīng)過檢測工件傳感器7判斷工件姿態(tài)是否導(dǎo)正，經(jīng)過次品檢測傳感器6判斷工件是否為次品，經(jīng)過傳感器6、7綜合判斷若判定工件不合格，則不合格件運(yùn)轉(zhuǎn)到次品推料氣缸4位置時(shí)，次品推料氣缸4頂出，將不合格件推入次品導(dǎo)向料斗5，使不合格工件被分檢出工作循環(huán);

(5)經(jīng)過傳感器6、7綜合判定工件合格，則工件在傳送帶的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下，被傳送至取件臺2，取件臺工件傳感器2感應(yīng)到有工件后，則停止變頻傳送機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動五自由度機(jī)械手進(jìn)行取件;

(6)取件臺工件傳感器2感應(yīng)到有工件后，五自由度機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至取件臺2處，移動機(jī)械手到取件位置，抓取工件，然后旋轉(zhuǎn)至分裝工作區(qū)，將工件放置到工藝分裝盤的1號分裝位;

機(jī)械手從取件臺2取走工件后，氣動送料機(jī)構(gòu)、變頻輸送帶機(jī)構(gòu)會自動運(yùn)行供料，保證自動線工作期間取件臺2始終有工件待取;

機(jī)械手依次循環(huán)，直至工藝分裝盤的2、3、4位分裝完工件;

(7)機(jī)械手完成工藝分裝盤的分裝后，通過夾持工藝分裝盤的工藝夾柱(如圖2所示)，將工藝分裝盤裝起，然后旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)運(yùn)工作區(qū)，將工藝分裝盤放置于車間主流水工作線，即完成當(dāng)前分裝工作流程。

(8)自動線運(yùn)行期間，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分裝工作流程循環(huán)工作，直至柱形垂直供料倉11無料停止工作或人工停止系統(tǒng)工作。

3 自動線的主要外圍硬件設(shè)計(jì)

本部分主要介紹自動線主要硬件結(jié)構(gòu)五自由度機(jī)械手和氣動控制回路和變頻控制等。

3.1 五自由度機(jī)械手

五自由度機(jī)械手的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含氣動機(jī)械手抓取/松放、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、前進(jìn)/后退、上升/下降、基座正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)5個(gè)自由度運(yùn)動。其各運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)具體如下:

(1)機(jī)械手抓取/松放通過一個(gè)二位三通氣閥驅(qū)動氣動手指進(jìn)行抓緊和放松，其氣動工作原理如圖5所示;

(2)機(jī)械手的正反轉(zhuǎn)通過直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)，并通過機(jī)械手正向、反向旋轉(zhuǎn)限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)行程控制，其控制電路如圖6所示;

(3)機(jī)械手的前進(jìn)/后退通過機(jī)械手水平位移步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動水平位移滾珠絲桿副實(shí)現(xiàn)，并通過機(jī)械手前進(jìn)、后退限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)水平位移行程保護(hù)控制，其控制電路如圖7所示;

(4)機(jī)械手的上升/下降通過機(jī)械手垂直位移步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動垂直位移滾珠絲桿副實(shí)現(xiàn);并通過機(jī)械手上升、下降限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)垂直位移行程保護(hù)控制，其控制電路與圖7一致;

(5)機(jī)械手基座的正/反轉(zhuǎn)通過基座旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)，并通過旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)基座旋轉(zhuǎn)角度的精確定位，通過基座正/反轉(zhuǎn)限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)基座旋轉(zhuǎn)行程保護(hù)控制，其控制電路與圖6一致。

3.2 氣動控制回路設(shè)計(jì)

本自動線氣動元件主要是氣動機(jī)械手(氣爪)、工件送料氣缸和次品推料氣缸及相應(yīng)的電磁閥構(gòu)成。其控制原理圖如圖8所示。

3.3 變頻傳送設(shè)計(jì)

輸送的傳動控制主要由PLC控制變頻器的啟停來驅(qū)動三相異步電動機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動和停止來實(shí)現(xiàn)，變頻器選用三菱E700系列變頻器，控制要求只有啟動、正轉(zhuǎn)和停止功能，控制功能較為簡單，故不做詳細(xì)介紹。

4 自動線的PLC控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

本自動線采用PLC作為中央控制器，要求完成對氣壓傳動、機(jī)械手五自由度運(yùn)動、變頻傳送、分揀分裝等工作的控制要求，其控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)主要包括I/O分配和程序開發(fā)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

4.1 I/O地址分配

本系統(tǒng)PLC需要處理的控制量主要包括各種數(shù)字量信號的輸入、傳感器信號的處理、氣動元件的驅(qū)動、變頻器、步進(jìn)驅(qū)動等，根據(jù)自動線的外圍硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，PLC的I/O地址分配如表1所示。

根據(jù)表1，選用三菱FX 3U 48MT型PLC，其控制電路原理圖如圖9所示。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

本自動線的PLC程序主要包括復(fù)位、啟動和停止3個(gè)控制功能，要求設(shè)備每次開機(jī)后，必須先執(zhí)行復(fù)位功能，然后才能執(zhí)行啟動功能;為了保證安全，停止功能具有最高優(yōu)先級，一旦啟動停止功能，設(shè)備必須執(zhí)行停止運(yùn)行。程序整體采用模塊化編程和STL順序控制思路進(jìn)行編制，其中機(jī)械手的水平和垂直位移采用步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行精確定位，故在具體編程時(shí)采用了絕對位控指令(D)DRVA進(jìn)行編程。具體設(shè)計(jì)如下:

表1 分裝機(jī)械手自動線I/O分配列表

(1)復(fù)位功能。設(shè)計(jì)復(fù)位功能是為了保證設(shè)備的各執(zhí)行元件和機(jī)械手的位置處于一個(gè)設(shè)定好的動作狀態(tài)，以確認(rèn)系統(tǒng)各功能模塊正常，做好準(zhǔn)備等待系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確工作。本自動線的復(fù)位功能主要是要使機(jī)械手五自由度機(jī)械手各自由度運(yùn)動歸零(即設(shè)定的初始位置)，各氣缸處于縮回狀態(tài)。

(2)啟動功能。啟動功能必須在復(fù)位功能完成后，才能正式啟動自動線設(shè)備。其設(shè)計(jì)思路是以取料臺是否有工件構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)啟動的條件，并聯(lián)分成兩條控制線進(jìn)行運(yùn)行，一條為控制氣動送料和變頻傳送機(jī)構(gòu)向取料臺供料，另一條為控制機(jī)械手從取料臺取料分裝。程序編制的難點(diǎn)在于為了使程序瘦身，需要在機(jī)械手分裝環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置取料工作循環(huán)。

(3)停止功能。為了保證安全，停止功能具有最高優(yōu)先級，一旦啟動停止功能，為保證安全，除機(jī)械手的加緊或松開狀態(tài)保持不變外，設(shè)備其他動作必須停止運(yùn)行。

5 結(jié)語

本自動線應(yīng)用氣動技術(shù)、變頻傳送、步進(jìn)驅(qū)動等技術(shù)，以三菱PLC為中央控制器，進(jìn)行了機(jī)械手分裝自動線的開發(fā)，設(shè)備經(jīng)企業(yè)實(shí)際檢驗(yàn)，可用于模具導(dǎo)套、導(dǎo)柱、彈簧、模板等模具標(biāo)準(zhǔn)件的分裝工作，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工分裝方式，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)的自動化，為企業(yè)節(jié)省了人工，并且生產(chǎn)效率提升一倍以上，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

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