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        基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-07-23 09:07:20謝朋霖
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:人機(jī)界面數(shù)控車床直角坐標(biāo)

        謝朋霖

        (廣東省河源技師學(xué)院,廣東河源 517000)

        0 引言

        目前我國(guó)機(jī)械行業(yè)大多數(shù)采用人工進(jìn)行數(shù)控車床上下料作業(yè),工作分貝高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、工人等待時(shí)間長(zhǎng),而且具有一定的危險(xiǎn)性,已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。為了適應(yīng)機(jī)械行業(yè)加工自動(dòng)化生產(chǎn)要求,本文利用直角坐標(biāo)機(jī)器人、PLC及觸摸屏技術(shù),設(shè)計(jì)利用數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)代替人工作業(yè)。與導(dǎo)軌式上下料系統(tǒng)相比,不僅能提高生產(chǎn)效率,保障工人的人身安全,還能避免維護(hù)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(shí)也降低用人成本。

        1 控制系統(tǒng)工作原理

        數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)主要由直角坐標(biāo)機(jī)器人、傳送帶、傳感器等組成,生產(chǎn)線布置圖如圖1所示。其中直角坐標(biāo)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)傳感器和控制系統(tǒng)組成。

        直角坐標(biāo)機(jī)器人每次啟動(dòng)前必須進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位由PLC控制機(jī)器人進(jìn)入機(jī)器人復(fù)位程序,待到機(jī)器人到達(dá)設(shè)定的原位,X、Y、Z軸上傳感器反饋信號(hào)給PLC后停止復(fù)位動(dòng)作,然后才可以啟動(dòng)設(shè)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(dòng)后物送料傳送帶開始傳送工件,當(dāng)A工位工件傳感器檢測(cè)到有工件時(shí),反饋信號(hào)至PLC,由PLC控制送料傳送帶停止,同時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人到A工位夾取工件。機(jī)器人將工件放入數(shù)控車床B工位進(jìn)行加工,B工位檢測(cè)工件放到位后,反饋信號(hào)至PLC,再由PLC控制機(jī)器人到D工位等待,數(shù)控車床加工工件結(jié)束,輸出加工完成信號(hào)至PLC控制機(jī)器人夾取,夾取后送入C工位,機(jī)器人返回原位,然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

        圖1 數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)布置圖

        2 控制系統(tǒng)功能

        根據(jù)數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)的生產(chǎn)要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下功能。

        (1)運(yùn)行模式。運(yùn)行模式分有手動(dòng)、自動(dòng)、回原點(diǎn)3種控制模式[1]。系統(tǒng)調(diào)試或發(fā)生故障需要檢修時(shí),采用手動(dòng)控制模式運(yùn)行;手動(dòng)控制或故障檢修完成后、執(zhí)行機(jī)構(gòu)不在原點(diǎn)位置時(shí),可采用回原點(diǎn)模式控制系統(tǒng)運(yùn)行回原點(diǎn);系統(tǒng)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原點(diǎn)位置且正常時(shí),可采用自動(dòng)控制模式。

        (2)急停功能。直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有急停功能,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生緊急情況時(shí),現(xiàn)場(chǎng)人員按下急停按鈕,整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的所有運(yùn)行機(jī)構(gòu)立即停止當(dāng)前的動(dòng)作,故障排除后,復(fù)位急停按鈕,直角坐標(biāo)機(jī)器人設(shè)備復(fù)位到達(dá)原位,系統(tǒng)才可以重新啟動(dòng)。

        (3)聯(lián)鎖功能。直角坐標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)順序不能錯(cuò)亂、沖突,否則機(jī)器會(huì)發(fā)生碰撞,需要連鎖限制,以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        (4)故障報(bào)警、查詢功能。當(dāng)系統(tǒng)某個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障或X、Y、Z軸傳感器檢測(cè)不到位,能通過聲光報(bào)警器發(fā)出故障報(bào)警,并在人機(jī)界面顯示故障信息,以便現(xiàn)場(chǎng)人員查詢到故障信息,快速處理故障。

        3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        由于PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易學(xué)[2],可多次編寫和反復(fù)修改程序、方便維護(hù)及改造設(shè)備、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn),能滿足數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)中直角坐標(biāo)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件,故在本次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)框圖。

        圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(hào),主要包括啟動(dòng)、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(qū)動(dòng)裝置,主要包括伺服電機(jī)、異步電機(jī)、氣動(dòng)電磁閥、聲光報(bào)警器等,伺服電機(jī)用于控制機(jī)器人在X、Y、Z軸的動(dòng)作,異步電機(jī)用于控制傳送帶的動(dòng)作,氣動(dòng)電磁閥控制夾具夾放工件,聲光報(bào)警器在故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào);

        (3)控制系統(tǒng),即可編程序控制器(PLC)。

        3.1 直角坐標(biāo)機(jī)器人

        直角坐標(biāo)機(jī)器人為三自由度機(jī)器人,以X、Y、Z直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型[3-5],采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單軸機(jī)械臂、滾珠絲桿做傳動(dòng)方式[6-7]??梢酝瓿稍赬、Y、Z三維坐標(biāo)系中任意位置的運(yùn)動(dòng)軌跡,其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

        圖3 直角坐標(biāo)機(jī)器人三軸運(yùn)動(dòng)軌跡圖

        3.2 可編程序控制器(PLC)

        根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際控制要求,本文采用三菱FX3U-48MT/ES-A型PLC,該P(yáng)LC內(nèi)置獨(dú)立3軸100 kHz定位功能,3軸可同時(shí)輸出最高為100 kHz的脈沖,內(nèi)置脈沖輸出點(diǎn)為(Y000、Y001、Y002)。該P(yáng)LC內(nèi)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(diǎn)位可擴(kuò)展,內(nèi)存可擴(kuò)展,支持通訊功能,方便日后改造設(shè)備。

        4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

        根據(jù)數(shù)控車床自動(dòng)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(dòng)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(dòng)/自動(dòng)/回原點(diǎn)模式,自動(dòng)模式啟動(dòng)前必須滿足M8044的原點(diǎn)條件,程序如圖5所示。S0以下為手動(dòng)程序,S1以下為回原點(diǎn)程序,S2以下為自動(dòng)程序,其程序框架如圖6所示。

        圖5 IST指令及原點(diǎn)條件程序圖

        圖6 數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)程序步進(jìn)流程圖

        5 觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

        人機(jī)界面(HMI)是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的設(shè)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(diào)速器、PC組態(tài)軟件、儀器、等工業(yè)控制設(shè)備。PLC與人機(jī)界面通訊后,PLC將數(shù)據(jù)與狀態(tài)傳送到人機(jī)界面顯示,可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作、數(shù)據(jù)采集處理、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表輸出、查詢等功能。方便現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢、調(diào)試、故障排查、運(yùn)行監(jiān)視等功能。觸摸屏人機(jī)界面圖形設(shè)置如圖7所示。

        圖7 人機(jī)界面圖形設(shè)置

        6 結(jié)束語

        本文利用直角坐標(biāo)機(jī)器人、PLC、觸摸屏、傳送帶和數(shù)控車床設(shè)備共同組成一個(gè)數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng),能適應(yīng)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(shí)生產(chǎn)效率得到了大大的提高。

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