1 引言

　　在金屬高頻淬火加熱場(chǎng)合，工人經(jīng)常身處高溫環(huán)境，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且周圍環(huán)境電磁輻射大，長(zhǎng)期工作會(huì)影響身體健康。為了解決該問題，設(shè)計(jì)了高頻淬火機(jī)械手，代替工人進(jìn)行工作。

　　工人操作高頻淬火機(jī)械手，就可實(shí)現(xiàn)在原點(diǎn)位置上快速安裝工件、夾緊，并移動(dòng)工件到高頻感應(yīng)線圈處進(jìn)行加熱；當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度后，系統(tǒng)自動(dòng)停止加熱并退回、旋轉(zhuǎn)90°、松開工件進(jìn)行淬火。在高溫檢測(cè)方面，由于高頻加熱的溫升速度非常快，傳感器響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在0．2 s以內(nèi)，因此不宜采用接觸式的溫度傳感器，而應(yīng)采用紅外線或光纖高溫傳感器。同時(shí)在人機(jī)界面上可清晰觀察機(jī)械手工作的過程、工件溫度及報(bào)警列表等信息。

2 機(jī)械手工作過程

　　通氣后機(jī)械手自動(dòng)復(fù)位，然后通電，機(jī)械手松開。并在原點(diǎn)位置上快速安裝工件并靠夾緊氣缸夾緊，然后靠推料氣缸移動(dòng)工件到高頻感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱，并通過紅外高溫傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，并反饋給PLC。當(dāng)加熱到設(shè)定的溫度后，停止加熱并退回到原點(diǎn)位置上，最后旋轉(zhuǎn)氣缸回轉(zhuǎn)90°，松開工件進(jìn)行淬火。

圖1 機(jī)械手工作示意圖

3 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手的主要?jiǎng)幼鳛闄C(jī)構(gòu)的松開與夾緊、機(jī)構(gòu)的平移、機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，這3個(gè)動(dòng)作分別由夾緊氣缸、推料氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸來完成；它們動(dòng)作的執(zhí)行是靠二位五通電磁閥切換氣缸的進(jìn)氣和出氣方向，使氣缸活塞產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)電磁閥全部都處于失電時(shí)候，機(jī)械手處于夾緊、退回、無旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這樣也便是急停狀態(tài)。當(dāng)PLC啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)候，機(jī)械手處于松開、退回、無旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這也是PLC運(yùn)行時(shí)氣缸最初狀態(tài)，這樣安排無需松開夾緊氣缸就可以放置工件，便于放置工件。由于我們采用的是二位五通電磁閥，因此通電和斷電時(shí)候，氣缸動(dòng)作方向是相反的。所以當(dāng)IY電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手就松開工件。如果斷電的時(shí)候，就夾緊工件。2Y電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手就推出工件，斷電就拉回工件。3Y電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手就旋轉(zhuǎn)90°斷電時(shí)候就回轉(zhuǎn)原位。

　　機(jī)械手夾緊與松開工件是靠電磁閥1Y動(dòng)作，機(jī)械手推出與拉回工件是靠電磁閥2Y動(dòng)作，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)工件與旋轉(zhuǎn)復(fù)位是靠電磁閥3Y動(dòng)作。對(duì)于高頻機(jī)啟動(dòng)與停止加熱是靠繼電器動(dòng)作。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1)PLC的選型

　　可編程控制器(PLC)種類非常多，我們選用PLCHW—S20ZA220T。這剛好滿足本次設(shè)計(jì)所需的外部8個(gè)開關(guān)量和1個(gè)模擬量輸入信號(hào)，4個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào)，而且點(diǎn)數(shù)還有余量。由于兩個(gè)傳感器是屬于NPN晶體管型，因此選擇NPN晶體管型PLC。

　　2)PLC的VO地址分配及外部接線設(shè)計(jì)該機(jī)械手中系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入8點(diǎn)，數(shù)字量輸出量4點(diǎn)，1個(gè)溫度模擬量輸入。輸入包括6個(gè)磁性開關(guān)，1個(gè)急停按鍵和1個(gè)復(fù)位按鈕。輸出包括控制3個(gè)電磁閥的信號(hào)，1個(gè)控制繼電器的信號(hào)。模擬量輸入包括紅外高溫傳感器輸入值為0—10 V的電壓。

　　外部24 V電源作為輸出端口電磁閥的電源，而PLC內(nèi)部提供的24 V電源作為輸入傳感器和紅外高溫傳感器的電源，保證輸入輸出電源的隔離，提高抗干擾能力；il摸屏與PLC的編程接口相聯(lián)接，。

3)溫度采集

　　對(duì)于小工件，從常溫高頻加熱到900°，一般不到10 s，時(shí)間非常短暫。因此對(duì)傳感器的反應(yīng)速度要求就特別高，響應(yīng)時(shí)間時(shí)間必須控制在200 ms以內(nèi)，否則誤差較大。由于接觸式傳感器熱傳導(dǎo)比較慢，有明顯的滯后，因此不宜采用。綜合考慮紅外線和光纖非接觸式溫度測(cè)溫儀的性價(jià)比，最終選擇了德國(guó)歐普±(Optris)紅外測(cè)溫儀CTLT20，其量程： -40℃ ～900 oC，響應(yīng)時(shí)間：150 ms,，誤差1％之內(nèi)，該測(cè)溫儀已進(jìn)行線性補(bǔ)償，線性度好，可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。

　　紅外測(cè)溫儀輸出為0～10 V或者4～20 mA的模擬量，首先設(shè)置好模擬量與數(shù)字量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，即模擬量最小值對(duì)應(yīng)測(cè)溫儀溫度測(cè)量范圍的最小值，模擬量最大值對(duì)應(yīng)測(cè)溫儀溫度測(cè)量范圍的最大值；再利用PLC的A／D模塊進(jìn)行溫度采集，得到數(shù)字量的溫度值；最后，在PLC程序中判斷是否到達(dá)設(shè)定溫度值，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)的溫度值和動(dòng)作信息。

　　4)PLC程序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)工件放好之后，按下觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕，夾緊氣缸夾緊工件，之后推料氣缸運(yùn)送工件到指定位置，然后啟動(dòng)高頻機(jī)加熱，到設(shè)定溫度停止加熱，退回并松開工件進(jìn)行淬火，然后返回原點(diǎn)。如此循環(huán)，一步步自動(dòng)執(zhí)行下去，省去了大量的人力與體力，大大提高了工作效率。

　　高頻淬火機(jī)械手主要有3種運(yùn)行方式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、回原點(diǎn)模式。因此采用1個(gè)主程序和4個(gè)子程序塊，即把自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、回原點(diǎn)模式和觸摸屏顯示控制部份，分別單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)子程序。如果需要運(yùn)行哪種模式，在觸摸屏中按下相應(yīng)的按鍵，在主程序中就可以調(diào)用相應(yīng)子程序。采用子程序方法，可以減少系統(tǒng)的掃描時(shí)間，提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，同時(shí)增強(qiáng)程序的可讀性、可移植性，也方便了調(diào)試。

　　自動(dòng)模式主要?jiǎng)幼鬟^程是順序動(dòng)作，完成一步動(dòng)作之后，再進(jìn)行下一步的操作，該控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的步進(jìn)順序控制系統(tǒng)。對(duì)于步進(jìn)順序控制系統(tǒng)，常見的是采用步進(jìn)順序控制編程方法。而本次在梯形圖設(shè)計(jì)上采用移動(dòng)指令與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能指令的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)順序控制。

　　PLC與觸摸屏通訊，很重要的一點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的監(jiān)控，能在觸摸屏中顯示相應(yīng)機(jī)械手的工作狀態(tài)和工件實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫度。在觸摸屏中除了用指示燈的亮滅顯示機(jī)械手的狀態(tài)外，比較直觀的方法是用到人機(jī)界面上的可變文本功能。可變文本里面內(nèi)容對(duì)應(yīng)PLC中的某個(gè)設(shè)定寄存器，如圖5可變文本功能對(duì)應(yīng)PLC中寄存器v4(觸摸屏中數(shù)據(jù)寄存器號(hào)4X地址516對(duì)應(yīng)海為PLC中數(shù)據(jù)寄存器V4)，例如數(shù)值V4中數(shù)值0對(duì)應(yīng)可變文本中文字“系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢”，v4中每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)可變文本中以設(shè)定好的某段文字，這樣機(jī)械手處于什么工作狀態(tài)，通過傳感器感應(yīng)，然后PLC讀取傳感器反饋的信息，通過程序處理，對(duì)寄存器v4賦一個(gè)特定值，在觸摸屏上就能顯示相應(yīng)文字，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手工作狀態(tài)的監(jiān)控。

5 實(shí)驗(yàn)

　　經(jīng)過調(diào)試，機(jī)械手能較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作。工人操作簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)離高頻加熱區(qū)，并可直觀看到工件的實(shí)時(shí)溫度和機(jī)械手的操作步驟，因此大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高了工作效率。