鄭紅梅，閆其龍，陳 科，丁曙光，黃海元

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

釹鐵硼磁環(huán)由于其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”。釹鐵硼具有極高的磁能積和矯頑力，同時(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用[1]，相應(yīng)地對(duì)磁環(huán)生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出很高要求。

該釹鐵硼磁環(huán)屬于粉末冶金壓制品，具有鐵磁性。壓制成型的磁環(huán)需要搬運(yùn)碼放之后燒結(jié)固化，在未進(jìn)行燒結(jié)前，脆性大、易碎；抓取移動(dòng)過(guò)程中要保持產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完好，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)際生產(chǎn)中搬運(yùn)碼放的工序由人工完成，生產(chǎn)效率低，人工成本高；而且人工抓取容易使工件變形甚至報(bào)廢，生產(chǎn)質(zhì)量無(wú)法保障。

圖1 釹鐵硼磁環(huán)工件圖

為此，開(kāi)發(fā)一種三自由度搬運(yùn)機(jī)械手[2]，該機(jī)械手手爪使用吸盤(pán)吸取工件避免磁環(huán)受徑向力作用變形，X、Y兩個(gè)方向的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成碼放工作。

1 搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)

粉末冶金成型機(jī)的工作速度是每分鐘成型12個(gè)磁環(huán)，在生產(chǎn)周期內(nèi)，要求將壓制完成的釹鐵硼磁環(huán)自動(dòng)吸取、移送、擺放；擺滿整個(gè)托盤(pán)后能夠自動(dòng)卸盤(pán)、上盤(pán)并回到初始裝盤(pán)處繼續(xù)擺放工件；磁環(huán)在工件存放盤(pán)的擺放要緊湊，在達(dá)到精度要求的前提下盡量節(jié)省工件存放盤(pán)的擺放空間。同時(shí)具有自動(dòng)循環(huán)、手動(dòng)和調(diào)試工作模式，以及故障報(bào)警、緊急停止等安全功能。

1.1 搬運(yùn)機(jī)械手組成

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，整個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手可分為控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。傳送過(guò)程要求精確定位且平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，為此選用同步帶結(jié)合滾珠絲杠的傳動(dòng)方案。由于釹鐵硼磁環(huán)脆性大，取工件執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能使用夾持機(jī)械手方案，而粉末冶金具有鐵磁性，選用電磁吸盤(pán)吸取工件[3]。選用的釹鐵硼磁環(huán)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 釹鐵硼磁環(huán)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案

1.2 機(jī)械手工作過(guò)程分析

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先回到初始工作狀態(tài)——Y向絲杠歸原點(diǎn)（磁環(huán)推出位置）和X向絲杠歸原點(diǎn)（存放盤(pán)上盤(pán)位置），同時(shí)上盤(pán)氣缸3頂起，卸盤(pán)氣缸13和吸盤(pán)氣缸12收回。

XY工作臺(tái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成定位擺放工作，Y向絲杠定位磁環(huán)X向位置，X向絲杠定位磁環(huán)Y向位置。Y向絲杠每擺滿一列工件，X絲杠移動(dòng)一個(gè)列間距的距離。

抓取、放下磁環(huán)通過(guò)吸盤(pán)和吸盤(pán)氣缸完成，吸盤(pán)氣缸下降到吸盤(pán)和磁環(huán)有效動(dòng)作的距離內(nèi)，吸盤(pán)通電，吸取工件；吸盤(pán)斷電則放下工件。

上盤(pán)和卸盤(pán)動(dòng)作可分解為如下過(guò)程：人工將存放盤(pán)放在上盤(pán)氣缸上，當(dāng)X向絲杠歸原點(diǎn)后，上盤(pán)氣缸3落下，將存放盤(pán)放置在絲杠螺母載物臺(tái)上，X向絲杠帶動(dòng)存放盤(pán)運(yùn)動(dòng)到指定初始擺放位置完成上盤(pán)動(dòng)作。當(dāng)存放盤(pán)滿盤(pán)后，X向絲杠快速移動(dòng)到卸盤(pán)位置，卸盤(pán)氣缸13頂起，完成卸盤(pán)動(dòng)作。操作工人在下一個(gè)工件存放盤(pán)滿盤(pán)之前，搬走缷盤(pán)氣缸上支撐的滿工件存放盤(pán)，并在上盤(pán)氣缸上放一個(gè)空盤(pán)。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要完成信號(hào)的采集和處理、伺服定位控制、氣動(dòng)系統(tǒng)控制、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示等功能[4]。伺服驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，接收來(lái)自PLC的指令脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成高精度的定位，并反饋給PLC伺服準(zhǔn)備就緒、伺服完成和伺服報(bào)警等信號(hào)。氣缸是主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)PLC控制電磁換向閥完成對(duì)氣缸的控制。機(jī)械手控制系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 機(jī)械手控制系統(tǒng)組成

2.1 PLC的選擇

在選擇PLC時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)[5]。

1）PLC控制器以及允許的拓展模塊的I/O總點(diǎn)數(shù)能夠滿足控制要求。

2）PLC硬件配置和控制功能相適應(yīng)。

機(jī)械手控制系統(tǒng)主要的I/O點(diǎn)是被位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)、報(bào)警指示燈以及伺服控制端口占用。估算控制系統(tǒng)需要24個(gè)輸入點(diǎn)，19個(gè)輸出點(diǎn)；留取15%的余量，從而選取輸入點(diǎn)28個(gè)，輸出點(diǎn)22個(gè)。

PLC通過(guò)脈沖輸出控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，PLC要實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此PLC至少需要兩個(gè)脈沖輸出端口。

選擇西門(mén)子S7-1214C為PLC控制器[6]。CPU主板擁有4路脈沖輸出（最高頻率100KHZ），可擴(kuò)展多達(dá)8個(gè)I/O信號(hào)模塊；完全滿足機(jī)械手控制要求。同時(shí)還擁有一個(gè)PROFINET接口用于編程、HMI和PLC間通信。

2.2 系統(tǒng)I/O分配

伺服驅(qū)動(dòng)器1和伺服驅(qū)動(dòng)器2分別表示釹鐵硼磁環(huán)搬運(yùn)機(jī)械手Y向絲杠和X向絲杠伺服運(yùn)動(dòng)。伺服驅(qū)動(dòng)器與PLC之間的信息交換包括伺服準(zhǔn)備就緒、定位完成、故障報(bào)警；脈沖輸出、脈沖方向、指令脈沖禁止輸入、伺服使能、報(bào)警解除[7]。PLC與外部環(huán)境信息交換包括一些工件和載物盤(pán)位置檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)、工作臺(tái)極限位置限位、氣缸上下行程限位、氣缸控制電磁閥等。為了方便調(diào)試、使用和故障分析，需要一些手動(dòng)控制按鈕和狀態(tài)指示燈等輸入輸出設(shè)備。

2.3 PLC的I/O接線

本系統(tǒng)屬于非高精度位置控制系統(tǒng)，脈沖輸出方式采用脈沖串加脈沖方向。PLC的輸入是24V，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入端口是5V的TTL電平，因此PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的端口之間需要串接2K的分壓電阻。

氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁閥不能直接由PLC輸出驅(qū)動(dòng)，需要使用一個(gè)中間繼電器（RY）隔離控制；伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的信號(hào)是5V的TTL電平，PLC也不能直接使用，需要使用中間繼電器（KA）隔離控制（中間繼電器需并聯(lián)續(xù)流二極管以保護(hù)輸出接口）。西門(mén)子系列的PLC輸入端口是源/漏兩用型的[8]，將輸入的M（1M、2M、3M）端口接電源負(fù)極時(shí)用作源型輸入（低電平有效），因此要選用PNP型的三線制常開(kāi)接近開(kāi)關(guān)。PLC的輸出是高電平輸出有效，所有PLC輸入到驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)，用共陰極接法連接。

2.4 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

X、Y方向的運(yùn)動(dòng)控制是該搬運(yùn)機(jī)械手定位擺放的關(guān)鍵，需要合理地配置伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，使伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)滿足定位精度和運(yùn)行速度要求。伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置過(guò)程如下[9]。

1）設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比。電子齒輪比的設(shè)置與脈沖當(dāng)量有關(guān)，磁環(huán)擺放的間距被設(shè)定為1mm，定位精度要求不高。而電子齒輪比的設(shè)置范圍在1/1000～1000之間，脈沖當(dāng)量選擇過(guò)大會(huì)使電子齒輪比超出允許范圍。根據(jù)公式(1)當(dāng)選取脈沖當(dāng)量為L(zhǎng)=0.001mm時(shí)，電子齒輪比為873，符合以上要求。配套伺服電機(jī)采用20位增量式編碼器，同步帶減速比為1，絲杠螺距D=12mm，則伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比為：

PLC的最高脈沖輸出頻率為100KHZ，在最高頻率下電機(jī)所能達(dá)到轉(zhuǎn)速Smax為：

伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，所選電子齒輪比能夠滿足電機(jī)運(yùn)行速度范圍。

2）根據(jù)位置控制要求，伺服驅(qū)動(dòng)器需要設(shè)定在位置控制模式下，指令輸入方式為脈沖序列+脈沖符號(hào)。參數(shù)設(shè)置情況如表2所示。

表1 Y向絲杠伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

編程軟件采用西門(mén)子最新的全集成自動(dòng)化工具平臺(tái)TIA Portal，該軟件集成了Step7編程軟件以及WinCC組態(tài)軟件，使得PLC的編程和組態(tài)能夠在一個(gè)集成環(huán)境中完成，減少變量定義，使編程更簡(jiǎn)單高效[10]。

采用結(jié)構(gòu)化編程結(jié)合步進(jìn)順控指令進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)化編程要求分別編程實(shí)現(xiàn)X、Y向絲杠運(yùn)動(dòng)以及相關(guān)氣缸動(dòng)作子程序，通過(guò)主程序調(diào)用各子程序。各個(gè)子程序則按照生產(chǎn)工藝的時(shí)間順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

PLC伺服準(zhǔn)備就緒輸入端口接通時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)入初始化子程序，初始化動(dòng)作包括Y向、X向絲杠回原點(diǎn)，上盤(pán)氣缸頂起，吸盤(pán)氣缸、卸盤(pán)氣缸收回。初始化動(dòng)作完成后，空托盤(pán)下降，橫向絲杠帶動(dòng)托盤(pán)運(yùn)動(dòng)到初始下料位置，按設(shè)定程序執(zhí)行搬運(yùn)動(dòng)作。每次碼放完成后，Y向絲杠進(jìn)入回原點(diǎn)程序，原點(diǎn)位置位于磁環(huán)推出位置，每次搬運(yùn)完成都回原點(diǎn)，能夠避免多次運(yùn)行造成的累積誤差。機(jī)械手控制程序流程圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械手控制程序流程圖

4 結(jié)論

本課題根據(jù)工廠需要，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)成型釹鐵硼磁環(huán)的自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手。該系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔合理，有利于高效定位擺放多個(gè)工件；控制系統(tǒng)基于PLC控制，實(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)搬運(yùn)、托盤(pán)自動(dòng)裝卸和故障報(bào)警功能；達(dá)到了預(yù)期目的。該系統(tǒng)投入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中將大大改善勞動(dòng)環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 鐘明龍,劉徽平.我國(guó)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電子元件與材料,2013,32(10):6-7.

[2] 張野.太陽(yáng)能硅片移送用三自由度機(jī)械手研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[3] 陸友堯,朱敬德,李磊.基于PLC的磁環(huán)下料機(jī)械手的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(3):119-120.

[4] 周鴻杰,駱敏舟,李濤.基于PLC的工業(yè)取料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2010,(3):50-57.

[5] 王亮.搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制研究[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

[6] 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司.S7-1200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[EB/OL].[2009-11-4]. https://support.automation.siemens.com.

[7] 松下馬達(dá)（珠海）有限公司.松下A5系列伺服驅(qū)動(dòng)器使用說(shuō)明書(shū). http://industrial.panasonic.com/ea/i/25000/fa_ctlg_acs_c/fa_ctlg_acs_c.html.

[8] 劉華波,劉丹,趙巖嶺,馬艷.西門(mén)子S7-200PLC編程與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:23-24.

[9] 王學(xué)良,張秋菊.基于PLC的機(jī)械手自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2012,41(15):59-62.

[10] 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司.TIA博途工程框架.http://www.industry.siemens.com.cn/automation/cn/zh/automation-systems/automationsoftware/tia-portal-software/tia-portal-engineeringframework/Pages/Default.aspx.