張金姣，吳斌方，王君明

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

泡沫塑料有良好的減震性，有的具有高回彈性，常用于床墊、沙發(fā)坐墊、汽車座椅等方面。經(jīng)填充、增強(qiáng)等改性的泡沫塑料質(zhì)輕而耐高溫，因而用于航天設(shè)備中。本文以某汽車座椅用合綿（一種軟質(zhì)泡沫塑料）生產(chǎn)流水線上的成型模具為對象，闡述具有2個自由度的模具清掃機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計思路。

1 控制要求

該汽車座椅用合綿生產(chǎn)流水線共有30臺以一定速度運(yùn)行的小車（圖1），一次最多可以容納30種不同汽車座椅用合綿成型模具。要求清掃機(jī)械手能夠自動根據(jù)模具的形狀和尺寸調(diào)節(jié)動作幅度與順序，實現(xiàn)對模具型腔內(nèi)部的清掃工作；清掃機(jī)械手采用觸摸屏控制，能夠在觸摸屏上編輯模具序表，能夠用觸摸屏控制清掃機(jī)械手的所有動作；清掃機(jī)械手必須同時具有自動和手動兩種工作方式。

圖1 某汽車座椅用合綿生產(chǎn)線清掃機(jī)械手位置示意圖

2 主要硬件構(gòu)成

模具清掃機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、可編程序控制器、控制縱橫兩個方向直線運(yùn)動的伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動器組成。

觸摸屏型號為MT8104iH，是威綸通科技有限公司生產(chǎn)的新一代人機(jī)界面，采用169寬屏設(shè)計。其主要性能指標(biāo):400MHzCPU，128MB內(nèi)存，10.4英寸，65 536色TFTLCD，分辨率800×600，使用軟件EasyBuilder8000。

可編程序控制器選擇日本三菱公司的產(chǎn)品:FX2N-48MT（輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn)，晶體管輸出型）。FX2N系列PLC是三菱公司近年推出的高性能小型可編程序控制器，其功能強(qiáng)，速度快，質(zhì)量輕，能耗小，編程簡單，配置靈活［1］。

機(jī)械手的位置控制采用松下MINASA4系列交流伺服電機(jī)MDMA022P1U及配套伺服驅(qū)動器MADDT1207003，電機(jī)電壓220V，額定功率200 W，額定轉(zhuǎn) 速 3 000r/min，編碼器 5 線制，2 500（p/r）。松下 MINASA4系列交流伺服電機(jī)性價比高，速度頻率快，超調(diào)整定時間短，可實現(xiàn)快速定位［2］。

伺服驅(qū)動器主要參數(shù)設(shè)置:Pr02（控制模式選擇）＝0，表示位置控制；Pr04（行程限位禁止輸入無效設(shè)置）＝2，表示CCWL或CWL信號與COM－斷路，會發(fā)生Err38行程限位禁止輸入信號出錯報警；Pr40（指令脈沖輸入選擇）＝0，表示脈沖通過普通光耦電路輸入；Pr41（指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置）＝0和Pr42（指令脈沖輸入方式）＝3時，表示指令脈沖輸入采用“脈沖＋方向”的形式［2］，Pr4B（指令脈沖分倍頻分母）＝1000，表示在Pr48或Pr49＝0時電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的指令脈沖數(shù)［3］，此值越小，速度越快。另外，Pr04、Pr41和Pr42參數(shù)設(shè)置值必須在控制電源斷電重啟之后才能修改、寫入成功。

PLC外部接線圖如圖2所示［4－5］。另外，觸摸屏通過RS-232串行通信口與PLC實現(xiàn)通信，通過USB接口從上位計算機(jī)下載數(shù)據(jù)與程序。

圖2 PLC外部接線圖

3 軟件設(shè)計方案

模具清掃機(jī)械手的控制系統(tǒng)分為手動和自動兩種工作方式，采用步進(jìn)順控法編程。S1是手動的初始步，由X4激活；S0為自動的初始步，由X5激活，受X軸與Y軸原位行程開關(guān)X7和X12限制，即自動控制開始的原始位置:X軸在SQ2處，Y軸在SQ5處。

3.1 手動工作方式

模具清掃機(jī)械手的手動工作方式，用于兩臺伺服電機(jī)在系統(tǒng)正式使用前的調(diào)試和系統(tǒng)突然出現(xiàn)故障后的回零，以及手動控制吸塵電機(jī)的通斷與吸塵電磁閥的開合。當(dāng)X2滿足時，通過按鈕SB3、SB4、SB5可以對橫軸（X軸）進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和回原點(diǎn)操作；當(dāng)X3滿足時，通過按鈕SB3、SB4、SB5可以對縱軸（Y軸）進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和回原點(diǎn)操作；同時，通過開關(guān)SA3控制吸塵電機(jī)的接通與斷開，通過開關(guān)SA4控制吸塵電磁閥的開合。

3.2 自動工作方式

汽車座椅用合綿生產(chǎn)流水線上的30臺小車最多可以容納30種不同的成型模具，因為模具的形狀、尺寸各不相同，清掃機(jī)械手的動作勢必不同。因此，在自動工作方式下，首先要在觸摸屏中建立30個模具的序表（圖3），分別用1～30代表30種不同的模具。該序表要反映汽車座椅用合綿生產(chǎn)線30臺小車上模具的安放順序，即依次通過清掃機(jī)械手的模具的順序。序表中可以是30個同一種模具，也可以是30個完全不同的模具，即使不足30個模具也可以（用0表示未安放模具的小車）。模具序號通過觸摸屏依次保存到PLC數(shù)據(jù)寄存器D201～D230中，按下重置按鈕X25，可以對模具序表進(jìn)行修改或重新設(shè)置。

在自動工作方式下，編程的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是模具的判定。PLC必須首先判定模具的編號，然后才能控制清掃機(jī)械手做出相應(yīng)的動作，以完成對模具型腔內(nèi)部的清掃。如圖4所示，PLC自動控制部分程序，數(shù)據(jù)寄存器D300通過X14（小車到行程開關(guān)）對依次通過清掃機(jī)械手的小車進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)滿30時延時一段時間清零（T10設(shè)置時間，比相鄰兩輛小車通過X14所需時間稍小即可），表示一次循環(huán)結(jié)束，然后重新計數(shù)；將D300中的數(shù)據(jù)傳送到變址寄存器Z1中，通過Z1改變地址（D200Z1）逐一讀取D201～D230中保存的模具編號，如果D200Z1中的模具編號為1，則激活步S11，如果D200Z1中的模具編號為2，則激活步S12，依此類推。步S11～步S40是機(jī)械手分別清掃1號模具～30號模具動作順序的起始步。M8000表明只要PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，就不會停止對經(jīng)過機(jī)械手的模具編號進(jìn)行判定，而M5由M0和X15（模具到行程開關(guān)）相與控制，表明只有小車上有模具且按下起動按鈕X23時，機(jī)械手才會產(chǎn)生動作。數(shù)據(jù)寄存器D301中保存的是模具的計數(shù)值，該值在觸摸屏界面上動態(tài)顯示（圖3）。

圖3 觸摸屏自動操作界面

因模具較多，且形狀不一、大小不等，程序較長，在此不針對具體模具設(shè)計清掃機(jī)械手的動作程序。采用步進(jìn)順控法，以S11，S12，S13，…，S40作為30個模具步進(jìn)順序的起始步，運(yùn)用DPLSY脈沖輸出指令按一定的運(yùn)動軌跡控制輸出脈沖的頻率和總數(shù)，可以很方便地實現(xiàn)清掃機(jī)械手動作的編程。

3.3 報警清除和急停處理

當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障，觸動X軸前后限位開關(guān)SQ1、SQ2或Y軸前后限位開關(guān)SQ4、SQ6時，就會觸發(fā)行程限位禁止輸入信號出錯報警。這時，按下報警清除按鈕SB2，控制Y6和Y11得電120ms以上，就可以清除報警信號。在自動程序前面加上急停按鈕X0常開觸點(diǎn)控制的主控指令MC和程序結(jié)束時的主控復(fù)位指令MCR，在緊急情況下按下急停按鈕SB1可以使機(jī)械手所有動作馬上停止。

圖4 自動控制部分程序

4 結(jié)論

汽車座椅用合綿生產(chǎn)線成型模具的清掃一般安排兩名工人一前一后完成。因為流水線小車以一定速度運(yùn)行，兩名工人幾乎沒有休息時間，加上燥熱的工廠環(huán)境，勞動強(qiáng)度非常大。用清掃機(jī)械手代替工人勞動，不僅使工人從繁重的勞動中解脫出來，而且清掃質(zhì)量高，速度快，大大提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了企業(yè)成本。

［1］ 廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2008.

［2］ 盧建剛，陳小飆.Minus A4系列交流伺服電機(jī)的PLC控制［J］.微計算機(jī)信息，2008，24（09）:91-92.

［3］ 吉 鳳.基于PLC與伺服電機(jī)控制的機(jī)械手設(shè)計方案［J］.工業(yè)技術(shù)，2012（24）:114-115，141.

［4］ 閆 飛.PLC與交流伺服在單軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2012（04）:50-51，59.

［5］ 劉媛媛，張如萍，張正和，等.基于伺服電機(jī)和PLC的工作臺運(yùn)動控制［J］.機(jī)械工程與自動化，2012（04）:126-128.