0 引言

　　隨著工業自動化的發展，出現了數控加工中心，它在減輕工人的勞動強度的同時，大大提高了勞動生產率。但數控加工中常見的上下料工序，通常仍采用人工操作或傳統繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低；后者因設計復雜，需較多繼電器，接線繁雜，易受車體振動干擾，而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。為解決以上問題，我們研究開發了一套采用可編程序控制器PLC控制的上下料機械手控制系統。該系統動作簡便、線路設計合理、具有較強的抗干擾能力，保證了系統運行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。

1 系統工作原理

　　如圖1所示，本系統的上下料機械手采用關節式整體結構，具有結構緊湊、運動平穩的特點，可以方便地實現無級調速。該裝置抓取工件質量可達40～50kg，工作范圍為橫向1.2m、縱向0.8m。

圖1 機械手的機械結構簡圖

　　系統啟動時，首先進行自檢，若設備正常，則機結束信號傳來時，機械手開始動作，其具體動作過程如下：原始位置→小手臂伸出→手指夾緊(抓住卡盤上的工件)經短時延時一手腕向左逆擺(從卡盤上卸下工件)→大臂旋轉180°→小手臂伸出(上料)→開關發出料到位信號→手指松開(放料)→小手臂縮回→小手臂上擺(同時卡盤夾緊工件，機床開始加工)→大手臂下擺→手指松開(將工件放在料架上)→小手臂縮回→大臂旋轉180°同時料架轉位(轉60°)→小手臂伸出→手指夾緊(抓住待加工的工件)→大手臂上擺(從料架上取走工件)→小手臂水平待料，系統原位卸荷。

2 系統結構組成

　　機械手的整個系統主要由控制系統、驅動系統和執行系統三部分組成，其結構框圖如圖2所示?？刂葡到y主要包括：位置檢測裝置、可編程控制器、主控柜及主控面板(狀態顯示和操作按鈕)。

圖2機械手的系統結構圖

　　驅動系統采用全液壓驅動，該系統能實現機械手的自動運行、手動調節，同時保證了整機動作迅速、平穩，特別是滿足了機械手伸縮臂的動作精度、需承受大負載及運動性能等方面的特殊要求。

　　執行系統由升降機構、回轉機構、手臂伸縮機構、手部夾持機構、定位機構等組成，整體為圓柱關節式結構。與傳統的上下料機械手不同的是：該系統采用了具有雙夾持結構的手臂設計(圖1)，在其中一夾持機構卸料后，手臂旋轉一定角度，另一夾持機構上料，在兩次上下料之間機械手臂往返各一次，與傳統的往返各兩次比較更加節省時間，效率更高。

3 系統軟硬件設計

　　整個機械手的控制，是通過向系統提供符合要求的開關信號來實現的。具體地講，就是按機械手的動作要求，PLC通過信號采集、控制液壓系統的電磁換向閥的通斷電，實現裝置的自動或手動上下料。系統的硬件主要由機械本體、液壓驅動系統、PLC控制系統組成，軟件系統主要通過PLC的編程實現。

　　3.1 液壓驅動系統

　　液壓系統原理圖如圖3所示，在該系統中，為防止各種干擾影響手指抓取工件，故采用雙泵供油；手部的夾緊和松開動作的控制，是由雙作用式活塞缸配合凸輪和連桿機構組合驅動，實現卡爪的圓弧開合；手腕、小手臂、大手臂的擺動則是由擺動液壓馬達實現，手腕、小手臂可在相互垂直的兩平面內擺動，大手臂可正反旋轉180°；為防止突然斷電時手指松開和大、小臂倒下來，在手指夾緊油缸和大、小臂油缸的控制回路中采用液控單向閥，并在液壓回路中配置限位開關、壓力繼電器和位置傳感器來實現動作的換接控制。同時還設置急停、復位。

圖3液壓系統圖

　　3.2 PLC控制系統

　　根據系統控制信號的數量，本系統選用三菱FxON-60MR-D型可編程控制器。該PLC自帶編程器，能實現離線及在線編程，還可以結合實際的工程要求，調整控制程序，實現機械手的不同動作，實現了柔性化設計。

　　該機械手在PLC控制下可實現手動、連續動作兩種工作方式，主程序流程圖如圖4所示，手動方式是指利用按鈕對機械手每步動作單獨進行控制，連動方式是指機械手根據控制信號自動循環執行每步動作，直至收到停止信號。系統啟動后，根據工序要求，通過旋轉按鈕確定機械手的工作方式，如果選擇單動則執行手動程序，否則默認執行連動程序。

圖4 PLC主程序流程圖

　　PLC的自動控制程序的編寫方法很多，根據本次設計中機械手的特點，要求每一個動作嚴格按順序執行，因此采用步進指令編寫，可保證機械手的運行有條不紊，即使出現誤動作也不會造成混亂，圖5即為機械手動作過程控制的梯形圖。其動作執行過程如下：系統啟動，機械手處于待料狀態，獲得取料信號后機械手開始動作，從原點出發按工序自動循環工作，直到收到停止信號，機械手在完成最后一個周期的工作后返回原點，自動停機。

圖5機械手動作過程控制梯形圖

　　為避免因壓力不足或機械手動作不到位造成的誤動作，系統設置了延時報警系統，如圖6所示。

圖6延時報警系統梯形圖

　　當某一液壓缸因故障被卡超過設定時限，延時報警系統將動作:設YS為控制該缸動作的繼電器，XS為對應動作的限位，若該動作超時，對應的時間繼電器T4將動作，則T4的動合觸點接通，首先接圖6延時報警系統梯形圖通Y18，切斷電源，停機。因故障排除按鈕為動作，內部繼電器RO未導通，則Y16接通，與之相連的報警蜂鳴器通電發聲報警，與此同時，8901 C導通后周期性地通斷，通過已接通的功導通Y17，使與之相連的報警指不燈不停閃爍，提醒工人排除故障，從而避免故障加重造成損失。一旦按下故障排除按鈕，X14接通，內部繼電器導通，其通斷觸電打開，蜂鳴器停止報警，報警燈熄滅。

4 結束語

　　本系統采用PLC對數控機床上下料機械手進行控制，實現了手動、連動、互鎖、狀態顯示、延時報警等功能，具有較強的抗干擾能力和良好的可靠性。經調試檢驗，該系統運行符合程序設計要求，具有良好的協調運行性能。