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        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

        2020-07-23 09:07:20謝朋霖
        機電工程技術(shù) 2020年6期
        關鍵詞:人機界面數(shù)控車床直角坐標

        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(chǎn)效率低、工人等待時間長,而且具有一定的危險性,已經(jīng)無法適應現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。為了適應機械行業(yè)加工自動化生產(chǎn)要求,本文利用直角坐標機器人、PLC及觸摸屏技術(shù),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(chǎn)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(chǎn)線布置圖如圖1所示。其中直角坐標機器人由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、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(jié)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(jù)數(shù)控車床自動上下料控制系統(tǒng)的生產(chǎn)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(diào)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jù)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(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,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(qū)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(qū)動單軸機械臂、滾珠絲桿做傳動方式[6-7]。可以完成在X、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(jù)系統(tǒng)實際控制要求,本文采用三菱FX3U-48MT/ES-A型PLC,該PLC內(nèi)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(nèi)置脈沖輸出點為(Y000、Y001、Y002)。該PLC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,其次輸入輸出點位可擴展,內(nèi)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(jù)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(diào)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(jù)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(jù)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(diào)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(jié)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(chǎn)效率得到了大大的提高。

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