全自動(dòng)內(nèi)圓切片機(jī)組上下料機(jī)械手系統(tǒng)的開發(fā)

李小賓，高 志

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200237)

0 引言

國內(nèi)內(nèi)圓切片機(jī)主要通過單臺(tái)機(jī)器配合工人人工上下料進(jìn)行生產(chǎn)，自動(dòng)化水平較低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大。在工業(yè)自動(dòng)化全面發(fā)展的今天，利用自動(dòng)化設(shè)備取代人的勞動(dòng)成為了必然趨勢[1-2]。因此提高內(nèi)圓切片的自動(dòng)化生產(chǎn)水平是十分有必要的。

以此為背景，本研究以提高內(nèi)圓切片機(jī)的自動(dòng)化水平為主要目的，提出了一種將改造后的內(nèi)圓切片機(jī)并聯(lián)成機(jī)組并配合上下料機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)的全新生產(chǎn)模式。整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)以PLC為控制核心，并根據(jù)其所要完成的功能對(duì)其工作流程進(jìn)行規(guī)劃，完成了其手動(dòng)控制程序及自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。整個(gè)機(jī)組生產(chǎn)模式新穎，整體布局合理，功能原理先進(jìn)，能夠大幅度提高內(nèi)圓切片生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

1 內(nèi)圓切片自動(dòng)化生產(chǎn)線整體方案

1.1 對(duì)原有內(nèi)圓切片機(jī)的改造方案

原有內(nèi)圓切片機(jī)主要由4個(gè)部分組成，包括電氣控制柜、進(jìn)給系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)(如圖1所示)。主軸系統(tǒng)通過帶動(dòng)與其相連的環(huán)形刀盤高速旋轉(zhuǎn)，工人將物料固定于刀架系統(tǒng)后，電器控制系統(tǒng)控制進(jìn)給系統(tǒng)將物料送入刀盤內(nèi)，利用物料在環(huán)形刀盤徑向方向與刀盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的切割。從以上工作流程可以看出原有內(nèi)圓切片機(jī)的主要缺陷為上下料過程均由人工完成，自動(dòng)化水平較低。因此對(duì)原有內(nèi)圓切片機(jī)的改造主要集中在刀架系統(tǒng)，通過將人工上料夾緊方式改為由機(jī)械手上料后氣缸自動(dòng)夾緊。另外為使整個(gè)產(chǎn)線的布局更為合理，也對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改造。改造后的若干個(gè)內(nèi)圓切片機(jī)以相同的間距放置在承載導(dǎo)軌上，其控制柜位于其下方。

1.電氣控制柜2.進(jìn)給系統(tǒng)3.刀架系統(tǒng)4.主軸系統(tǒng)

1.2 內(nèi)圓切片機(jī)組各系統(tǒng)整體布置方案設(shè)計(jì)

內(nèi)圓切片機(jī)組整體主要包括導(dǎo)軌系統(tǒng)、改造后的內(nèi)圓切片機(jī)以及機(jī)械手系統(tǒng)三個(gè)組成部分，將改造后的內(nèi)圓切片機(jī)按相同的間隔布置在承載導(dǎo)軌上，一條承載導(dǎo)軌布置25臺(tái)機(jī)器。除承載導(dǎo)軌外，另一條導(dǎo)軌為機(jī)械手系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌道。機(jī)械手系統(tǒng)主要包括機(jī)械手主體、上料倉、下料倉以及帶動(dòng)機(jī)械手沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的小車。機(jī)械手主體又包括上料機(jī)械手和下料機(jī)械手。其整體布置簡圖如圖2所示。

圖2 機(jī)組整體布置方案簡圖

2 自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手系統(tǒng)的具體功能

一臺(tái)自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)為一條生產(chǎn)線上的25臺(tái)內(nèi)圓切片機(jī)自動(dòng)上下料，物料放置在料倉中，料倉中總共有25個(gè)料槽，按5×5的格局布置。機(jī)械手依次移動(dòng)到各個(gè)內(nèi)圓切片機(jī)位置處為其上料。整個(gè)步驟完成的基礎(chǔ)是內(nèi)圓切片機(jī)切割物料的過程耗時(shí)較長，在第一個(gè)物料切割完成之前足夠機(jī)械手完成為25臺(tái)切片系統(tǒng)的上料全過程。上料過程結(jié)束，機(jī)械手系統(tǒng)移動(dòng)到上料初始位置并準(zhǔn)備下料。下料過程由下料機(jī)械手完成，其工作流程與上料機(jī)械手原理相同。

2.2 機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，此機(jī)械手系統(tǒng)包括兩個(gè)機(jī)械手:上料機(jī)械手和下料機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)大致相同，故只介紹上料機(jī)械手機(jī)構(gòu)。上料機(jī)械手包括三個(gè)電機(jī)，Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)和手臂電機(jī)。Y軸電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械手的延Y軸方向依次取完一排物料的運(yùn)動(dòng)過程。Z軸電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械手的上下移動(dòng)。手臂電機(jī)控制機(jī)械手手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。X軸電機(jī)負(fù)責(zé)上部機(jī)械手整體的運(yùn)動(dòng)，在一排物料取完后拖動(dòng)機(jī)械手整體移到下一排物料位置處。除手臂電機(jī)以外，X、Y、Z三軸電機(jī)均配合滾珠絲桿將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)[3]。機(jī)械手手部通過氣缸的伸縮來完成對(duì)物料的夾緊和釋放。整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)通過行走小車實(shí)現(xiàn)從一個(gè)內(nèi)圓切片機(jī)位置到另一個(gè)切片機(jī)位置的運(yùn)動(dòng)，行走小車通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在其移動(dòng)的過程中也要能夠保持較高的定位精度。X、Y、Z軸電機(jī)以及手臂電機(jī)由于在每個(gè)上料流程中移動(dòng)的距離以及所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載都不是很大，故采用步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于要驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)在導(dǎo)向?qū)к壣线\(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載較大，且移動(dòng)的距離較長，考慮到負(fù)載大小以及移動(dòng)距離和移動(dòng)過程中的定位精度等因素，故采用交流伺服電機(jī)[4-5]。

圖3 自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 上下料機(jī)械手系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械手系統(tǒng)傳感器布置方案

由于上料機(jī)械手與下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)和原理均相同，故傳感器布置方案也相同，在此只介紹上料機(jī)械手運(yùn)行部分的傳感器布置方案。傳感器布置示意圖如圖4所示，其中LS1和LS2為Z軸極限位置限位開關(guān)，LS3、LS4為Y軸極限位置限位開關(guān)，LS5、LS6為X軸極限位置限位開關(guān)。手臂電機(jī)控制機(jī)械手臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故不設(shè)置限位開關(guān)。CS1、CS2、CS3、CS4為接近開關(guān)，分別為各軸電機(jī)的原點(diǎn)位置監(jiān)測信號(hào)[6]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的限位開關(guān)和接近開關(guān)布置在導(dǎo)向?qū)к壣?，作為?qū)動(dòng)電機(jī)的極限位置信號(hào)和原點(diǎn)位置監(jiān)測信號(hào)。

圖4 傳感器布置方案示意圖

3.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

機(jī)械手系統(tǒng)使用PLC進(jìn)行控制。PLC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)中各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的精確控制和夾緊氣缸電磁閥的控制。

同樣以上料機(jī)械手為例，上料機(jī)械手系統(tǒng)共有4個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)手部夾持氣缸。因此所選用的PLC控制組件應(yīng)能夠同時(shí)控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)及一個(gè)伺服電機(jī)，并且輸入輸出點(diǎn)數(shù)滿足要求。根據(jù)上料機(jī)械手系統(tǒng)控制程序，PLC控制系統(tǒng)輸入輸出分配如表1所示。

表1 系統(tǒng)輸入輸出分配表

此控制系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)PLC，一臺(tái)臺(tái)達(dá)PLC最多可控制4個(gè)步進(jìn)或伺服電機(jī)，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的輸入輸出信息可知，輸入信號(hào)為28個(gè)，輸出信號(hào)為13個(gè)。選用PLC時(shí)，輸入輸出要預(yù)留10%～20%的可擴(kuò)展余量[7]。I/O點(diǎn)數(shù)經(jīng)計(jì)算后，確定選用臺(tái)達(dá)DVP64EH00T3系列PLC和一個(gè)DVP01PU-H2單軸伺服定位控制擴(kuò)展模塊。DVP64EH00T3系列PLC有4個(gè)高速脈沖輸出口分別控制4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。DVP01PU-H2定位控制模塊用來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的左右極限限位開關(guān)以及原點(diǎn)位置監(jiān)測的接近開關(guān)均連接在此定位控制模塊上[8]。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心任務(wù)，整個(gè)控制程序由原點(diǎn)回歸程序、手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序三部分組成，分別控制整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行原點(diǎn)回歸動(dòng)作、手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 原點(diǎn)回歸程序設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)中原點(diǎn)回歸程序的主要作用為在機(jī)械手自動(dòng)運(yùn)行之前使機(jī)械手系統(tǒng)的各軸電機(jī)回到其各自的原點(diǎn)，這些點(diǎn)即為各軸電機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)零點(diǎn)，后續(xù)的自動(dòng)控制所使用的絕對(duì)定位指令均以此點(diǎn)作為參照點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)各軸電機(jī)精確位置控制。X、Y、Z軸電機(jī)以及手臂電機(jī)的原點(diǎn)回歸采用原點(diǎn)回歸指令DZRN實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)由DVP01PU-H2定位控制模塊控制，此模塊可設(shè)置為原點(diǎn)回歸模式， 通過向此模塊特定控制寄存器中寫入特定的值從而實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)回歸功能。

3.3.2 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

手動(dòng)控制程序可以對(duì)各個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行控制，當(dāng)要對(duì)各電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)緊急情況導(dǎo)致自動(dòng)運(yùn)行過程停止，需要調(diào)整各個(gè)電機(jī)運(yùn)行位置時(shí)，都要在手動(dòng)模式下進(jìn)行。對(duì)X、Y、Z軸電機(jī)和手臂電機(jī)的手動(dòng)控制運(yùn)用PLSY指令，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)輸入接點(diǎn)的選擇見表1，同時(shí)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行了互鎖設(shè)置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)手動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置為JOG寸動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式，運(yùn)用相對(duì)坐標(biāo)定位方式，同樣設(shè)置了正反轉(zhuǎn)互鎖。

3.3.3 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制要求上料機(jī)械手依次完成對(duì)25臺(tái)切片系統(tǒng)的上料，首先要合理的設(shè)計(jì)自動(dòng)控制流程。根據(jù)上料機(jī)械手工作流程編寫的PLC程序流程圖如圖5所示。自動(dòng)控制程序中進(jìn)行了強(qiáng)制回原點(diǎn)設(shè)置。PLC通電后，首先按下原點(diǎn)回歸按鈕，原點(diǎn)回歸完成后，各軸電機(jī)的原點(diǎn)作為其定位運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)坐標(biāo)零點(diǎn)。料倉中物料以5×5格局排列，kyi表示一排物料中第i個(gè)物料相對(duì)于Y軸電機(jī)原點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)位置，自動(dòng)控制按鈕按下后整個(gè)機(jī)械手動(dòng)作的過程如圖5所示，其中Y軸電機(jī)為每個(gè)切片系統(tǒng)上料時(shí)所要移動(dòng)的絕對(duì)位置kyi隨寄存器D0中的值變化而變化，這樣就能夠使上料機(jī)械手依次夾取一排物料中的各個(gè)物料。對(duì)計(jì)數(shù)器C0、C1的值進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的對(duì)比結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作[10]一步最為關(guān)鍵。當(dāng)一排物料用完后，計(jì)數(shù)器C0的值為5，PLC驅(qū)動(dòng)X軸電機(jī)

圖5 自動(dòng)控制程序流程圖

拖動(dòng)上部機(jī)械手移至下一排物料位置處。此時(shí)由于上部機(jī)械手的位置移動(dòng)了一個(gè)料槽間距，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在拖動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)移動(dòng)到下一切片單元處時(shí)定位位置應(yīng)同時(shí)改變一個(gè)料槽間距，此過程通過將值kdi寫入定位控制模塊的控制寄存器CR#23、24中來實(shí)現(xiàn)。上部機(jī)械手系統(tǒng)按此上料流程循環(huán)，依次完成對(duì)25臺(tái)切片單元的上料。上料完成后，X軸電機(jī)回到其零點(diǎn)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)回到上料起始位置，此功能同樣是通過向寄存器中寫入相應(yīng)的值來實(shí)現(xiàn)。通過此自動(dòng)控制程序流程圖可以編寫出自動(dòng)控制程序的步進(jìn)梯形圖。

4 結(jié)束語

(1)針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)圓切片機(jī)生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平低的問題，改造了原有小型內(nèi)圓切片機(jī)的結(jié)構(gòu)，將改造后的內(nèi)圓切片機(jī)并聯(lián)，配合設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手組成內(nèi)圓切片機(jī)組，并對(duì)機(jī)組整體布置方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)計(jì)了自動(dòng)上下料機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)其控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手系統(tǒng)全自動(dòng)控制。

(3)本設(shè)計(jì)大大提高了內(nèi)圓切片的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，同時(shí)也提高了內(nèi)圓切片的生產(chǎn)效率。