直角坐標(biāo)機(jī)器人數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：研究數(shù)控車床自動(dòng)上下料控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，由直角坐標(biāo)機(jī)器人來(lái)代替人工在惡劣環(huán)境中做重復(fù)性的上下料工作。通過(guò)直角坐標(biāo)機(jī)器人、PLC和觸摸屏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床上下料的手/自動(dòng)控制，并具有故障報(bào)警功能。不僅能代替人工做重復(fù)上下料的動(dòng)作，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，還能承受各種惡劣環(huán)境下的作業(yè)，從而避免安全事故的發(fā)生，減少了用工成本，提高了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；上下料；直角坐標(biāo)機(jī)器人；PLC；人機(jī)界面
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(wú)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(kāi)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)。
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(guò)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(xiě)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。該上下料控制系統(tǒng)包括以下部分：（1）輸入元件，用來(lái)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]。可以完成在X、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。
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100kHz定位功能，3軸可同時(shí)輸出最高為100kHz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。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。
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(guò)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。
6結(jié)束語(yǔ)
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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作者：謝朋霖 單位：廣東省河源技師學(xué)院