莊亞文

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

摩擦塊工件一般都是用數(shù)控機(jī)床來(lái)加工生產(chǎn)的，中小企業(yè)在摩擦塊生產(chǎn)過(guò)程中，需要人工進(jìn)行上料、下料和碼垛，并且每個(gè)工件的加工時(shí)間間隔較長(zhǎng)，每個(gè)員工平均每個(gè)小時(shí)只搬運(yùn)6～8次的工件，這樣就增加了不必要的人工成本，降低了整體的生產(chǎn)效率[1]。再有近年來(lái)，我國(guó)人口紅利正在逐年消失，勞動(dòng)力增長(zhǎng)速度持續(xù)下降，導(dǎo)致企業(yè)用工成本逐年上升，這些問(wèn)題都制約了中小制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展和不斷創(chuàng)新[2]。

針對(duì)企業(yè)的實(shí)際需求，要解決摩擦塊工件的自動(dòng)上下料和碼垛問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)的搭建和控制策略的設(shè)計(jì)。通過(guò)PLC、人機(jī)交互界面、伺服系統(tǒng)和變頻器搭建控制系統(tǒng)的硬件部分[3]；通過(guò)工控機(jī)編寫(xiě)控制系統(tǒng)的控制策略；通過(guò)硬件和軟件的良好匹配，來(lái)實(shí)現(xiàn)摩擦塊工件從上料到下料再到碼垛的全自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。

1 桁架機(jī)械手總體設(shè)計(jì)

對(duì)于該生產(chǎn)線的實(shí)際情況，要解決這一問(wèn)題，勢(shì)必要用到工業(yè)機(jī)器人代替人工生產(chǎn)，這樣不但提高生產(chǎn)效率，還可以完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。桁架機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它和關(guān)節(jié)機(jī)器人有所不同[4]。在速度方面，桁架機(jī)械手是直線運(yùn)動(dòng)，而關(guān)節(jié)機(jī)器人是插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，速度相對(duì)于前者要慢一些；在精度方面，由于工件體積較大，二種機(jī)器人都能滿足該摩擦塊工件的定位和抓?。辉谠靸r(jià)方面，關(guān)節(jié)機(jī)器人由于集成程度較高，都是各大機(jī)器人企業(yè)的核心設(shè)備，往往造價(jià)過(guò)高，而桁架機(jī)械手可以自行研發(fā)設(shè)計(jì)，所以在成本上有很大的優(yōu)勢(shì)，也就是性?xún)r(jià)比很高；在該工況中，桁架機(jī)械手可以量身定制各方面的參數(shù)。綜上所述，由于桁架機(jī)械手有著諸多優(yōu)勢(shì)，所以本文選用桁架機(jī)械手代替人工搬運(yùn)。

桁架機(jī)械手的設(shè)計(jì)要結(jié)合工件特點(diǎn)和實(shí)際工況。常規(guī)的桁架機(jī)械手一般有三個(gè)軸，在笛卡爾坐標(biāo)系中分別是X軸、Y軸和Z軸，但是三軸桁架機(jī)械手不符合該摩擦塊工件和實(shí)際工況[5]。本文提到的工件是一種摩擦塊工件，如圖1所示。該工件的外形類(lèi)似于一個(gè)扇形，中間有2個(gè)圓孔，尺寸一般為300 mm*180 mm*10 mm，重量一般在6～8 kg,外表粗糙且不平整。根據(jù)摩擦塊工件外形尺寸和重量等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)四軸桁架機(jī)械手，四個(gè)軸分別是X軸、Y軸、Z軸和C軸。X軸、Y軸、Z軸是線性運(yùn)動(dòng)，而C軸是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。X軸、Y軸和Z軸是機(jī)械手的空間位置，C軸是調(diào)整機(jī)械手的抓取姿態(tài)，通過(guò)以上四個(gè)軸，從而完成工件的抓取。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是對(duì)于摩擦塊工件進(jìn)行自動(dòng)化上下料和碼垛操作，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：桁架機(jī)械手各軸、可編程邏輯控制器(PLC)、人機(jī)交互界面(HMI)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、工控機(jī)等，圖2所示為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖[6]。通過(guò)人機(jī)交互界面組態(tài)系統(tǒng)畫(huà)面，與PLC建立Modbus-TCP通訊，從而實(shí)現(xiàn)I/O信號(hào)的采集；PLC執(zhí)行操作者的命令，從而選擇合適的控制策略，并發(fā)送給機(jī)械手執(zhí)行抓取動(dòng)作，PLC和桁架機(jī)械手采用EtherCAT通訊；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同種工件的上下料，并且有傳感器檢測(cè)物料是否抓取正確。

2 硬件設(shè)計(jì)

桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，根據(jù)工況的實(shí)際需求和成本預(yù)算，采用國(guó)產(chǎn)新代PLC系統(tǒng)，共32個(gè)I/O總點(diǎn)數(shù)，如圖3所示。輸入點(diǎn)包括控制面板部分(啟動(dòng)、停止、循環(huán)、急停等)、機(jī)械手4個(gè)軸的限位開(kāi)關(guān)、傳送帶的檢測(cè)和限位，變頻器的報(bào)警等；輸出點(diǎn)包括變頻器的控制、抓手的夾緊和放松、三色燈等；并且該系統(tǒng)的冗余為10%，能夠滿足該工況的實(shí)際需求[7]。

人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)操作者和機(jī)械手的溝通橋梁，可以理解為六軸機(jī)器人的示教器。本文選用7英寸的觸摸屏，對(duì)桁架機(jī)械手和操作畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)，方便生產(chǎn)人員進(jìn)行操作和監(jiān)控。PLC和HMI用 Modbus-TCP進(jìn)行通訊。

通過(guò)分析桁架機(jī)械手的負(fù)載情況，從轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等方面對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選型[8]。X軸、Y軸和Z軸伺服電機(jī)要配合絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中X軸、Y軸和Z軸選用額定功率1 kW、額定扭矩3.18 N·M的伺服電機(jī)；C軸伺服電機(jī)要配合減速箱使用，C軸選用額定功率0.75 kW、額定扭矩2.39 N·M的伺服電機(jī)，減速箱選用5 ∶1的傳動(dòng)比；伺服驅(qū)動(dòng)器用于接收PLC的控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作。伺服驅(qū)動(dòng)器有單個(gè)模組的也有集成模組的。為節(jié)約空間成本和預(yù)算成本，本文選用4合1伺服驅(qū)動(dòng)器并帶有電池模塊，電池模塊保護(hù)機(jī)械手原點(diǎn)位置不丟失，將X軸、Y軸、Z軸和C軸的電機(jī)動(dòng)力線纜和編碼器線纜一起連接到伺服驅(qū)動(dòng)器上。系統(tǒng)的PLC、人機(jī)交互界面、伺服電機(jī)和伺服啟動(dòng)器組成桁架機(jī)械手的電氣核心部分，如圖4所示。

當(dāng)然還有其他部分，氣動(dòng)抓手通過(guò)氣缸的伸出與縮回來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的抓?。幌尬粋鞲衅鲗?shí)現(xiàn)各軸的硬限位保護(hù)；工件傳感器檢測(cè)是否抓到工件；光電開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)工件是否碼垛到位；傳送帶用于工件的移動(dòng)；安全門(mén)和插銷(xiāo)用于保護(hù)操作者進(jìn)入作業(yè)區(qū)域。通過(guò)上述各部分來(lái)搭建四軸桁架機(jī)械手。搭建完成如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)桁架機(jī)械手的實(shí)際工作情況，針對(duì)PLC編寫(xiě)控制策略；然后對(duì)HMI進(jìn)行組態(tài)和編程；設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)。

本文采用新代PLC作為控制系統(tǒng)，采用LadEditor軟件編寫(xiě)桁架機(jī)械手的控制策略。首先對(duì)PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行分配，具體如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

PLC編程采用最直觀的梯形圖編程方法，由于梯形圖是最廣泛的PLC編程語(yǔ)言，也為后續(xù)的生產(chǎn)維護(hù)提供了便利。根據(jù)實(shí)際工況，一個(gè)循環(huán)周期控制策略如下，機(jī)械手切換到自動(dòng)模式，首先桁架機(jī)械手X軸、Y軸、Z軸和C軸回到各自原點(diǎn)；然后抓取毛坯件，傳感器檢測(cè)到毛坯件后；機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到上料點(diǎn)，進(jìn)行上料操作；機(jī)械手回到安全點(diǎn)，機(jī)床加工毛坯件；機(jī)械手等待毛坯件加工完成信號(hào)，進(jìn)行下料操作；抓取成品件運(yùn)動(dòng)到安全點(diǎn)；再運(yùn)動(dòng)到放料點(diǎn)，進(jìn)行碼垛操作；傳感器檢測(cè)碼垛完成后，機(jī)械手回到原點(diǎn)位置。完成一個(gè)工件的上下料和碼垛操作流程，然后進(jìn)行循環(huán)操作?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

人機(jī)界面采用觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)交互，對(duì)桁架機(jī)械手和操作畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)，功能和畫(huà)面一定要對(duì)操作者友好，方便操作者進(jìn)行生產(chǎn)和反饋。首先建立PLC和HMI的通訊，PLC和HMI的通訊方式采用EtherCAT方式。PLC和HMI部分通訊參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 部分參數(shù)

組態(tài)畫(huà)面包括包括機(jī)械手的實(shí)時(shí)坐標(biāo)、目標(biāo)坐標(biāo)、速度、時(shí)間和模式等，如圖7所示。

4 試驗(yàn)研究

基于PLC的桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)搭建完成，通過(guò)對(duì)摩擦塊工件不同位置的擺放，工件在X軸方向和Y軸方向擺放不同位置，并且角度在0～180°不同位置，如圖7所示，進(jìn)行該系統(tǒng)的測(cè)試，完成了200余次的試驗(yàn)，系統(tǒng)能順利完成對(duì)同種工件的上下料和碼垛操作。由于試驗(yàn)次數(shù)在200次以上，取了比較有代表性的數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

表3 部分試驗(yàn)結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可得，基于PLC的桁架機(jī)械手控制系統(tǒng)在的工件中心坐標(biāo)(X,Y,Z)和實(shí)際的工件坐標(biāo)(X,Y,Z)之間的誤差為0.6～1.4 mm，坐標(biāo)角度(C)誤差在0.1～0.6°之間，定位精度滿足機(jī)械手的抓取，并能夠碼垛到指定位置。綜上所述，該試驗(yàn)結(jié)果滿足我們預(yù)期的控制要求，同時(shí)也很好的滿足企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)線實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了基于PLC的桁架機(jī)械手整體系統(tǒng)。桁架機(jī)械手的控制系統(tǒng)搭建主要包括PLC、HMI、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。在實(shí)際工況中，機(jī)械手對(duì)工件逐一進(jìn)行上下料和碼垛，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，該系統(tǒng)定位精度完全滿足機(jī)械手的抓取需求，并且自動(dòng)化程度得到了極大的提高，達(dá)到了企業(yè)預(yù)期的生產(chǎn)需求。作者認(rèn)為，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。但是針對(duì)復(fù)雜工況還需要進(jìn)一步提高和完善機(jī)械手的適應(yīng)環(huán)境能力。