三軸沖壓機(jī)器人的制作

劉洪軍

【摘 要】本文采用S7-200SMART作為主控制器，驅(qū)動三臺伺服電機(jī)，并采用諧波減速機(jī)、高精密的滾珠絲桿以及線性導(dǎo)軌的緊密配合，設(shè)計(jì)了一種三軸沖壓機(jī)器人，可以代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)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(guān)鍵詞】三軸；上下料

0 引言

沖床在本質(zhì)上就是一臺沖壓式壓力機(jī)，沖壓工藝與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比，具有節(jié)約材料和能源，效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)械加工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。目前我國大多數(shù)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(diǎn)，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(yīng)的安全操作規(guī)程，以防止誤操作，確保人身安全。

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使用機(jī)器人替代人工生產(chǎn)，成為安全生產(chǎn)、提高效率、節(jié)約人力的一種趨勢[1]。本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人就是根據(jù)沖壓生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，專門為實(shí)現(xiàn)沖壓自動化無人生產(chǎn)而研發(fā)的設(shè)備，能夠取代人工在各個沖壓工位上進(jìn)行物料的上下料等工作。從而能確保安全產(chǎn)，并提高生產(chǎn)效率[2]。

1 硬件總體設(shè)計(jì)

三軸沖壓機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要組成部分包括控制系統(tǒng)主控板、伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、電磁吸盤及啟動停止按鈕等組成，三軸沖壓機(jī)器人的組織架構(gòu)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(yīng)用，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集，這使其成為控制小型應(yīng)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(qiáng)大靈活的設(shè)置向?qū)Э山M態(tài)為PWM輸出或運(yùn)動控制輸出，為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置控制提供了統(tǒng)一的解決方案[4]，滿足小型機(jī)械設(shè)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(nèi)部有三個軸可以配置，控制沖壓機(jī)器人三個軸上的伺服電機(jī)，軸0控制橫臂前后伸縮的X軸，軸1控制升降臂上下運(yùn)動的Y軸，軸2控制旋轉(zhuǎn)軸Z軸。

1.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)

本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人三個軸上的伺服電機(jī)及其驅(qū)動器選用西門子SINAMICS V80伺服驅(qū)動系統(tǒng)，包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)兩部分，伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列，進(jìn)行速度和位置的控制，通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運(yùn)行的控制和實(shí)時狀態(tài)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(nèi)部線圈通電產(chǎn)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(shí)現(xiàn)退磁，取下工件的原理而生產(chǎn)的一種機(jī)床附件產(chǎn)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(tǒng)PLC輸出點(diǎn)控制電磁吸盤的得電與斷電，從而可以實(shí)現(xiàn)5KG以內(nèi)的產(chǎn)品的吸附搬運(yùn)工作。

1.4 傳動系統(tǒng)

傳動部分通過滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌以及同步帶等設(shè)備將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動變成三個軸的伸縮、上下以及旋轉(zhuǎn)擺動運(yùn)動。傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)擺動傳動設(shè)計(jì)。三軸沖壓機(jī)器人外觀圖如圖2所示：

2 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)工作要求，配置三軸運(yùn)動控制的初始化配置，為實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動的精確控制做好準(zhǔn)備；（2）建立運(yùn)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(lián)動控制等關(guān)系確定下來；（3）根據(jù)工作要求，把系統(tǒng)所有PLC控制的輸入和輸出信號定下來；（4）進(jìn)行編程并調(diào)試

2.1 三軸運(yùn)動控制的初始化配置

編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART提供的位控向?qū)Э梢院芊奖愕赝瓿蒔WM、PTO的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?，用這些指令在應(yīng)用程序中對速度和位置進(jìn)行動態(tài)控制。運(yùn)動控制向?qū)Э梢蕴峁┤齻€軸脈沖輸出的設(shè)置，脈沖速度從20HZ到100HZ可調(diào)。

2.2 運(yùn)動控制順序

三軸沖壓機(jī)器人的主要功能是實(shí)現(xiàn)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?cái)[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(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人，是一款可以代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動上下料的自動化裝置。它采用高精密的全伺服電機(jī)驅(qū)動，定位準(zhǔn)確；采用進(jìn)口諧波減速機(jī)、高精密的滾珠絲桿以及導(dǎo)軌的緊密配合，使得運(yùn)行穩(wěn)定、精準(zhǔn)，而且耐磨性強(qiáng)，使用壽命強(qiáng)，可完成復(fù)雜的運(yùn)動控制。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和功能的不斷完善，將會有越來越多的機(jī)器人進(jìn)入工廠車間，替代人工，實(shí)現(xiàn)安全、高效率的自動化生產(chǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]譚仲海.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015.10.

[2]徐麗春.自動上下料通用機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].液壓與氣動，2013.8.

[3]王學(xué)良.基于PLC的機(jī)械手自動上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能控制技術(shù)，2016.2.

[4]向曉漢.S7-200SMART PLC完全精通教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.8.endprint