基于直角坐標機器人的數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)設計

謝朋霖

（廣東省河源技師學院，廣東河源 517000）

0 引言

目前我國機械行業(yè)大多數(shù)采用人工進行數(shù)控車床上下料作業(yè)，工作分貝高、勞動強度大、生產效率低、工人等待時間長，而且具有一定的危險性，已經無法適應現(xiàn)代生產的需求。為了適應機械行業(yè)加工自動化生產要求，本文利用直角坐標機器人、PLC及觸摸屏技術，設計利用數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)代替人工作業(yè)。與導軌式上下料系統(tǒng)相比，不僅能提高生產效率，保障工人的人身安全，還能避免維護人員高空作業(yè)，降低維修保養(yǎng)難度，減少安全事故的發(fā)生，同時也降低用人成本。

1 控制系統(tǒng)工作原理

數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)主要由直角坐標機器人、傳送帶、傳感器等組成，生產線布置圖如圖1所示。其中直角坐標機器人由執(zhí)行機構、驅動機構、位置檢測傳感器和控制系統(tǒng)組成。

直角坐標機器人每次啟動前必須進行復位。復位由PLC控制機器人進入機器人復位程序，待到機器人到達設定的原位，X、Y、Z軸上傳感器反饋信號給PLC后停止復位動作，然后才可以啟動設備。待加工工件由送料傳送帶傳送至A工位，B工位為加工工位，加工后的成品存放在C工位。

系統(tǒng)啟動后物送料傳送帶開始傳送工件，當A工位工件傳感器檢測到有工件時，反饋信號至PLC，由PLC控制送料傳送帶停止，同時啟動機器人到A工位夾取工件。機器人將工件放入數(shù)控車床B工位進行加工，B工位檢測工件放到位后，反饋信號至PLC，再由PLC控制機器人到D工位等待，數(shù)控車床加工工件結束，輸出加工完成信號至PLC控制機器人夾取，夾取后送入C工位，機器人返回原位，然后進入下一個循環(huán)。

圖1 數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)布置圖

2 控制系統(tǒng)功能

根據數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)的生產要求，系統(tǒng)設計了以下功能。

（1）運行模式。運行模式分有手動、自動、回原點3種控制模式[1]。系統(tǒng)調試或發(fā)生故障需要檢修時，采用手動控制模式運行；手動控制或故障檢修完成后、執(zhí)行機構不在原點位置時，可采用回原點模式控制系統(tǒng)運行回原點；系統(tǒng)所有執(zhí)行機構在原點位置且正常時，可采用自動控制模式。

（2）急停功能。直角坐標機器人控制系統(tǒng)設計有急停功能，當系統(tǒng)運行發(fā)生緊急情況時，現(xiàn)場人員按下急停按鈕，整個機器人系統(tǒng)的所有運行機構立即停止當前的動作，故障排除后，復位急停按鈕，直角坐標機器人設備復位到達原位，系統(tǒng)才可以重新啟動。

（3）聯(lián)鎖功能。直角坐標機器人系統(tǒng)執(zhí)行機構順序不能錯亂、沖突，否則機器會發(fā)生碰撞，需要連鎖限制，以確保系統(tǒng)的正常運行。

（4）故障報警、查詢功能。當系統(tǒng)某個執(zhí)行機構發(fā)生故障或X、Y、Z軸傳感器檢測不到位，能通過聲光報警器發(fā)出故障報警，并在人機界面顯示故障信息，以便現(xiàn)場人員查詢到故障信息，快速處理故障。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

由于PLC可靠性高、抗干擾能力強、數(shù)據處理能力較強、編程簡單易學[2]，可多次編寫和反復修改程序、方便維護及改造設備、價格適中等優(yōu)點，能滿足數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)中直角坐標機器人的現(xiàn)場作業(yè)條件，故在本次設計中采用PLC作為控制系統(tǒng)，圖2所示為上下料控制系統(tǒng)硬件結構框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

該上下料控制系統(tǒng)包括以下部分：

（1）輸入元件，用來接受PLC外部的輸入信號，主要包括啟動、停止、急停按鈕，各種傳感器等；

（2）輸出元件，是控制系統(tǒng)的驅動裝置，主要包括伺服電機、異步電機、氣動電磁閥、聲光報警器等，伺服電機用于控制機器人在X、Y、Z軸的動作，異步電機用于控制傳送帶的動作，氣動電磁閥控制夾具夾放工件，聲光報警器在故障時發(fā)出報警信號；

（3）控制系統(tǒng)，即可編程序控制器（PLC）。

3.1 直角坐標機器人

直角坐標機器人為三自由度機器人，以X、Y、Z直角坐標系統(tǒng)為基本數(shù)學模型[3-5]，采用伺服電機驅動單軸機械臂、滾珠絲桿做傳動方式[6-7]?？梢酝瓿稍赬、Y、Z三維坐標系中任意位置的運動軌跡，其運動軌跡如圖3所示。

圖3 直角坐標機器人三軸運動軌跡圖

3.2 可編程序控制器（PLC）

根據系統(tǒng)實際控制要求，本文采用三菱FX3U-48MT/ES-A型PLC，該PLC內置獨立3軸100 kHz定位功能，3軸可同時輸出最高為100 kHz的脈沖，內置脈沖輸出點為(Y000、Y001、Y002)。該PLC內置脈沖輸出功能符合X、Y、Z三軸控制的目的，以減少外控模塊節(jié)約成本及減少硬件接線，其次輸入輸出點位可擴展，內存可擴展，支持通訊功能，方便日后改造設備。

4 控制系統(tǒng)程序設計

根據數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)工作原理，可得其工作流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)使用三菱的IST狀態(tài)初始化指令定義手動/自動/回原點模式，自動模式啟動前必須滿足M8044的原點條件，程序如圖5所示。S0以下為手動程序，S1以下為回原點程序，S2以下為自動程序，其程序框架如圖6所示。

圖5 IST指令及原點條件程序圖

圖6 數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)程序步進流程圖

5 觸摸屏人機交互界面設計

人機界面（HMI）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的設備[8]，本文采用威綸通MT8000觸摸屏。通過通訊線連接不同類型的PLC、變頻器、調速器、PC組態(tài)軟件、儀器、等工業(yè)控制設備。PLC與人機界面通訊后，PLC將數(shù)據與狀態(tài)傳送到人機界面顯示，可對現(xiàn)場進行操作、數(shù)據采集處理、參數(shù)設置、報表輸出、查詢等功能。方便現(xiàn)場人員對系統(tǒng)進行查詢、調試、故障排查、運行監(jiān)視等功能。觸摸屏人機界面圖形設置如圖7所示。

圖7 人機界面圖形設置

6 結束語

本文利用直角坐標機器人、PLC、觸摸屏、傳送帶和數(shù)控車床設備共同組成一個數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)，能適應較惡劣的環(huán)境，投入成本較低，用人成本減少，安全系數(shù)高，同時生產效率得到了大大的提高。