杜鵬飛

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063]

電機高速沖片智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

杜鵬飛

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063]

為了滿足電機生產(chǎn)過程中高速沖片的自動化生產(chǎn)需要，設(shè)計了機械臂智能控制系統(tǒng)。該智能控制系統(tǒng)根據(jù)限位開關(guān)、繼電器等反饋信號及觸摸屏通信數(shù)據(jù)，通過PLC進(jìn)行運算，控制電磁閥、氣缸、伺服電機、真空吸盤等，實現(xiàn)機械臂的定位、取料、放料等動作。通過生產(chǎn)實際應(yīng)用，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、性能可靠，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率。

電機高速沖片; 機械臂; 智能控制系統(tǒng)

0 引 言

本文介紹的機械手臂采用三軸聯(lián)動，分別為上下軸、前后軸、旋轉(zhuǎn)軸，用電磁閥控制。動作順序及各動作時間的間隔采用按時間原則控制的電氣控制系統(tǒng)。該機械臂在電機智能制造生產(chǎn)過程中有著重要的作用，與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式機器人和連桿式機械手對設(shè)備、模具、場地的苛刻要求相比，它可以做到隨意連接油壓機、氣動沖床，無論噸位大小、機臺高低，都可以連接，實現(xiàn)設(shè)備自由組合[1- 4]。

本文通過對電機高速沖片生產(chǎn)過程中機械臂作業(yè)研究,開發(fā)了基于VPC系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)的機械臂智能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線中的限位開關(guān)、位置開關(guān)、繼電器、聯(lián)機條件等反饋信號及觸摸屏通信數(shù)據(jù)，通過PLC進(jìn)行運算[5-6]，控制電磁閥、氣缸、伺服電機、真空吸盤等，實現(xiàn)機械臂定位、取料、放料等動作，完成將沖床A上沖片完成的工件精確快速地搬運至沖床B的工位上的任務(wù)，提高了機械臂的靈活性和快速性。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

機械手臂在電機高速沖片生產(chǎn)過程中的動作順序流程[7-9]如圖1所示。

圖1 機械臂動作順序流程圖

圖1中各環(huán)節(jié)介紹如下：

(1) 原始位置。在電機高速沖片過程中，研究沖床1和沖床2之間機械臂的運動和動作控制，原始位置就是沖床1上工件沖片完成時，機械臂上下軸豎立、前后軸水平、吸盤處于自然狀態(tài)。

(2) 取料定位。通過伺服精確定位，首先接收沖床1沖片完成信號，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)角度，前后軸伸縮預(yù)設(shè)的距離，確保吸盤位于工件正上方，上下軸同時往下運動預(yù)設(shè)距離，吸盤貼附于工件。

(3) 取料。吸盤吸真空，時間為1s，使工件能順利移動。

(4) 送料定位。機械臂接收沖床2允許放料的信號后，通過伺服精確定位，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)預(yù)設(shè)角度，同時前后軸伸縮預(yù)設(shè)位移，上下軸往上運動預(yù)設(shè)位移，使工件能精確運送到?jīng)_床2上。

(5) 放料。精確定位后，釋放吸盤。

該機械手臂在生產(chǎn)過程中，能保證取料和放料自動循環(huán)，各動作之間有一定的延時，各軸都能單獨動作，以便于調(diào)整和維修，以及有電氣保護(hù)和聯(lián)鎖環(huán)節(jié)。

2 電氣控制設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

機械臂的電器控制柜和PLC控制柜布置在現(xiàn)場。采用上電科VPC2-60MT-A作為機械臂運行和各傳感器信號處理的運行控制器。將生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)時位置開關(guān)、接近開關(guān)及光電傳感器等的反饋信號，通過PLC進(jìn)行運算，控制伺服電機、電磁閥、氣缸等的運行，實現(xiàn)自動取料、放料的動作。

自動控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 自動控制系統(tǒng)硬件圖

2.2 電氣原理

該機械手臂系統(tǒng)中有3臺伺服電機為正反轉(zhuǎn)控制，氣缸均為雙作用氣缸，以及電磁閥控制吸盤。PLC部分電氣原理圖[10]如圖3所示。

圖3 電氣原理圖

3 PLC程序設(shè)計

3.1 模塊化設(shè)計

本文介紹的機械臂系統(tǒng)在生產(chǎn)流水線上是連續(xù)、穩(wěn)定、按照設(shè)計的節(jié)拍進(jìn)行運轉(zhuǎn)的，同時各工作動作有其相對的獨立性和封閉性，所以在程序設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，將相對獨立的各工作動作編為一個模塊，保證模塊內(nèi)部動作的協(xié)調(diào)性。

根據(jù)動作順序流程圖的要求，將程序劃分為初始化、主程序、取料、加速移動、放料等模塊。

(1) 初始化子程序： 在設(shè)備上電后，程序執(zhí)行初始化，將所有的輸出信號以及輔助信號進(jìn)行清零或設(shè)置初始數(shù)值。

(2) 主程序： 主要根據(jù)電控柜自動信號，進(jìn)行各子程序的調(diào)用，同時實現(xiàn)模擬量信號的數(shù)據(jù)處理。

(3) 分系統(tǒng)子程序： 主要是指取料、加速移動、放料等子程序，分系統(tǒng)子程序按照分系統(tǒng)工作流程，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各電控設(shè)備按照一定的時間間隔，進(jìn)行正向自動順序起動，反向自動停機，同時根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)電控系統(tǒng)的故障信號，實現(xiàn)故障報警以及反向順序停機。正向順序起動時，以上動作的起動完成信號觸發(fā)延時動作，從而保證機械臂連續(xù)運行的可靠性。

3.2 梯形圖設(shè)計

梯形圖是在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號演變而來的，具有形象、直觀、實用等特點，是目前運用最多的一種PLC編程語言。本機械臂自動控制程序部分梯形圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

應(yīng)用上電科VPC實現(xiàn)了機械臂在電機高速沖片過程中的自動化控制及監(jiān)控，操作簡便。經(jīng)過實際運行，證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，提高了電機智能制造的自動化生產(chǎn)水平，改善了勞動環(huán)境和勞動條件，增強了沖片過程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高了沖片的質(zhì)量，提升了機械臂的靈活性、兼容性、快速性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和標(biāo)準(zhǔn)性。

圖4 梯形圖

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Design and Implementation of Intelligent Control System in High-Speed Motor Stamping*

DUPengfei

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

In order to satisfy the need of the automatic production of high speed punching machine in the production process, the intelligent control system of the robot arm was designed. The intelligent control system based on the limit switch, relay feedback signal and touch screen communication data, was operated by PLC, control solenoid valve, cylinder, servo motor, vacuum chuck, realize the manipulator positioning, reclaimer, discharge and other action. Through the production practice, the system was stable and reliable, which could save the cost and improve the production efficiency.

high-speed motor stamping; mechanical arm; intelligent control system

上海市科委項目(15111109301,14510700100)；上海市人才專項(201533)

杜鵬飛(1985—)，男，研究方向為工業(yè)自動化控制。

TM 301.2

A

1673- 6540(2016)12- 0071- 03

2016-09-28