基于PLC的机械手自动上下料控制系统设计.pdf

智能控制技术 王学 良张秋菊基于 P L C的饥械手 自动上下料控制系统设计 5 9 基于 P L C的机械 手 自动上下料 控制系统 设计 王学良， 张秋菊 江南大学 机械工程学院 机械电子工程系， 江苏 无锡2 1 4 1 2 2 摘要 针对盘型齿轮的特点， 设计 了一种采用机械手的 自动上下料 系统， 以满足机床高效率、 高质 量的 自动化加工需要。该 系统用 P L C作为控制器， 触摸屏显示， 实现 了自动从输送线上取 工件放 到磨齿机上 ， 同时将加工完成的工件经甩油处理后 再送回输送线的控制要求。采 用高分辨率的 伺服 系统和精确的位置传感器保证机械手动作的快速与准确定位。该 系统 的应用， 有效地缩短 了齿轮磨床上下料 时间， 提高 了生产效率和整机 自动化水平。 关键词 磨齿机 ； 上下料 系统 ； 伺服 系统 ； P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 2 1 5 0 0 5 9 0 4 齿轮是重要的基础传动元件 ， 齿轮传动因具有 传动功率大 、 效率高和传动比准确等一系列优点而 广泛应用于工 , II UK产中 。由于变速箱齿轮大部 分都需要淬硬后再进行磨齿 ， 因此汽车工业是齿轮 行业以及磨齿机发展的动力 ， 随着机床以及汽车行 业的发展 ， 对于齿轮 的需求更是有增无减 。目前国 内的齿轮加工机床基本都是依靠人工来 实现机床 的上下料 ， 这种人工上下料 不仅 劳动强度大 ， 而且 效率低 ， 工作环境也 差 J 。相 对于人工 上下料而 言 ， 机械手 自动上下料装置具有动作快速 、 重复定 位精度高以及可 以长时间连续作业 等优点 ， 因 此对于我国磨齿机行业而言 ， 发展机械手 自动上下 料系统具有很迫切的需求 。 P L C以微处理器为核心 ， 具有通用性好和抗干 扰能力强等优 点， 在 机床控制行业 具有广 泛的应 用 j 。本文根据数控磨齿机高速 、 高精度的加工 要求 ， 设计 了一种机械手 自动上下料系统 ， 该系统 基于 P L C控制 ， 具有 较高的定位精度 和较 快的上 下料速度 ， 功能齐全 ， 动作流畅， 并且能方便地与机 床进行信息交互。 1 系统总体设计 根据设计要求 ， 即实现 自动从输送线上取工件 放到磨齿机上 ， 同时将加工完成 的工件经甩油处理 再送回输送线的功能， 设计机械手 自动上下料 系统 方案如图 1 所示 ， 主要由上下料机械手 1 、 防护 门、 甩 油装置 、 上下料机械手 2和输送机 5部分组成。其 主要工作流程为 工件在输送线上随随行夹具一起 运行到工位 2处时， 经输送机定位装置定位后 ， 由上 下料机械手 2实现甩油装置上的工件与输送线上的 工件上下料动作 ， 然后甩油装置移动至机床 ， 经上下 料机械手 1 实现机床与甩油装置上工件的上下料动 作 ， 动作完成后输送线启动， 工位 2处的加工好的工 件输送到下一工位 ， 工位 1 处的待加工工件运行到 工位 2定位， 同时上下料机械手 1回转 9 o 。 ， 防护 门 关闭， 使机床与外部隔离 ， 机床开始加工 ， 同时甩油 装置向输送机移动并进行甩油动作。 2 控制系统硬件设计 根 据控 制要 求 ， 选 择 O MR O N公 司 C P 1 H Y 2 0 D TD型 P L C作为控制器 ， 它采用 D C 2 4 V作 为电源， 具有 1 2点 D C输入 、 8点晶体管输 出， 可同 时搭载 4轴 脉 冲输 出 功能 ， 扩 展单 元 选择 3个 C P 1 W 一 4 0 E D R， 它具有 2 4点 D C输入 、 1 6点继 电 器输出 。触摸屏选用 O MR O N公司 N S系列 ， 它 具有极强的界 面绘制功能 ， 同时 与所选 P L C具有 很强的兼容性 。位置传感器选 择高精度 MT接触 式传感器 ， 该传感器不受被探测对象材料及形状影 响， 无应答滞后 ， 重复定位精度可达 0 ． 5 m。 总体控制系统的硬件原理图如图 2所示 ， 作为 人机交互设备 ， 触摸屏 主要负责系统 的参数设置、 状态显示以及控制调试等 ， 并 通过 R S 2 3 2接 口实 现与 P L C点对点通信 ， 向 P L C发送控制指令并将 P L C中反 馈 回的信息实 时显示 出来 。 P L C作为控 收稿 日期 2 0 1 l一1 2 3 1 作者简介 王学 良 1 9 8 7一， 男 ， 湖北枣 阳人 ， 江南 大学硕 士研究 q ． ， 主要研究 方向为机电一体化技术应用 。 2 0 1 2年 8月 中国制造业信息化第 4 1 卷第 1 5期 l 一 机床砂轮 2 一 工件安装 座 ； 3 一上下料机械手 1 ； 4 一防护门 ； 5 一 甩油装置； 6 一滑动导轨 ； 7 一上下料机械手 2 ； 8 一输送机 ； 9 一气爪 图 1 总体方案示意 图 制器， 是整个控制系统的核心， 主要完成信号的采 点信号， 各气动元件的到位信号以及伺服驱动器的 集和处理 、 伺服定位控制 、 自动上下料控制及甩油 反馈信号等 ， 这些信号对于控制系统的安全性和可 装置控制等功能。系统输入输 出信息见表 1 ， 输 出 靠性至关重要。 信号主要包括 4轴伺服 系统 的脉 冲输 出， 甩油装 置、 气爪和防护门等的电磁阀控制以及甩油电机的 变频控制。伺服 1 、 伺服 2表示 2台上下料机械手 的回转伺服系统 ， 由于其控 制精度要求很高 ， 这里 采用 C W／ C C W 脉冲输 出方式和伺服驱 动器线驱 动输入方式 ， 伺服 3和伺服 4表示上下料机械手上 下运动伺服系统 ， 这里采用脉冲 方 向的脉冲输出 方式和伺服驱动器集 电极开路输入方式 。输入信 号主要包括机械手的上下限位信号 、 回转原点和终 表 1 主要输入输 出地址分 配表 机械平 】 F运动 机械予 l 州转运动 机 械平2L F运动 机械手2 N转运动 甩油移动及张紧 气爪 油 及f J 歼关 弹性火头转动 交 I． 图2控 制 系统硬件 原理 图 输入分配表 输 出分配表 端 [ | 功能 端 口 功能 端 口 功能 端 口 功能 O ． 0 1 手 1 上 限位 5 ． 0 o 甩油装置在外 C W0 回转电机 1 1 0 3 ． o 0 伺 服 3伺服开 0 ． 0 4 手 1 下 限位 5 ． 0 1 甩油装置在 内 C W0 脉冲输入 1 0 3 ． 0 2 伺服 3报警清除 O ． O 5 手 2上限位 5 ． 0 2 甩 油罩放下 C C W0 回转电机 1 1 O 3 ． 0 4 伺 服 4伺服开 0 ． 1 0 手 2下限位 5 ． O 3 甩 油罩动作 C C W0 方向输入 1 0 3 ． 0 6 伺服 4报警清 除 1 ． 0 2 手 2回转原点 5 ． 0 4 甩油装 置张 紧 C Wl 回转电机 2 1 0 1 ． 0 o 伺服 3偏差输 出 1 ． O 3 手 2回转终点 5 ． 0 5 _I乜油张紧松开 C Wl 一 脉 冲输入 1 0 1 ． O l 伺服 4偏差输出 1 ． 0 4 手 1回转终点 2 ． o 0 伺服 1定位完成 C C W1 回转 电机 2 l 0 4 ． O l 系统报警保护 1 ． 0 5 于 1回转原点 2 ． O l 伺服 1准备就绪 C C Wl 方 向输入 l 04． 0 2 甩油电机启动 4 ． O 2 防护门打开 2 ． 0 2 伺服 1故障输出 1 0 o ． 0 4 伺服 3正脉 冲 1 0 4 ． 0 4 外爪阀 4 ． O 3 防护门关 闭 2 ． 0 6 伺服 2定位完成 1 o 0 ． O 5 伺服 3负脉 冲 1 04． 0 5 防护 门阀 4 ． 04 内爪 1松开 2 ． 0 7 伺 服 2准备就绪 1 0 0 ． O 6 伺服 4正脉冲 l o 4 ． O 6 内爪 阀 4 ． O 5 内爪 1夹紧 2 ． O 8 伺 服 2故 障输 出 1 0 0 ． 0 7 伺服 4负脉冲 l o 4 ． 0 7 内爪浮动 阀 4 ． 0 6 内爪 2松开 2 ． 1 l 伺 服 3定位完成 1 0 2 ． 0 o 伺服 1误差清除 1 0 5 ． 0 0 外爪浮 动阀 4 ． 0 7 内爪 2夹紧 3 ． o o 伺 服 3准备就绪 1 0 2 ． O 1 伺服 1伺服使能 1 0 5 ． 0 l 甩 油移 动阀 4 ． O 8 外爪 1松开 3 ． O l 伺服 3故 障输 出 1 0 2 ． 0 2 伺服 1报警清除 1 O 5 ． O 2 甩 油罩阀 4 ． O 9 外爪 1夹紧 3 ． O 5 伺服 4定位完成 1 0 2 ． 04 伺服 2误差清除 1 0 5 ． O 3 甩油张紧阀 4 ． 1 O 外爪 2松开 3 ． 0 6 伺服 4准备就绪 1 0 2 ． 0 5 伺 服 2伺服使能 1 0 5 ． 04 甩油电机电源 4 ． 1 l 外爪 2 夹紧 3 ． 0 7 伺服4故障输出 1 0 2 ． 0 6 伺服2 报警清除 1 0 5 ． 0 5 备用电机电源 1 ． o o 伺服 3 z相输 出 1 ． 0 l 伺服 4 Z相输出 1 o 6 ． 0 o 机械手动作完成 1 0 4 ． O 0 运动过程报警 智能控制技术 王学 良张秋菊基于 P L C的机械 I 1 动上下料控制系统设计 6 1 3高精度位置控制方案设计 位置伺服控制是该机械手上下料控制系统 的 主要部分 ， 而上下料机械手回转定位精度是决定机 械手上下料系统 精度 的关键。图 3所示为上下料 机械手 回转部分结构 图， 主要 由回转部分 、 安装座 和检测 3部分组成。回转部分包括 电机及减速器 本体 、 气爪及工件 、 气爪安装座 3部分 ， 检测部分是 依靠安装在安装座上的位置传感器来完成 ， 回转部 分和静止部分通过交叉滚珠轴环连接。 图 3 回 转 鄙 分 结 构 图 回转部分伺服控制主要存在以下几个问题 首 先 ， 由于 回转伺服 电机及其减速器是随着机械手臂 一 起作高速旋转的， 这样就大大地加重了回转部分 的转动惯量 ， 在高速 回转过程 中， 大惯量对于导 向 花键轴产生很大的倾覆力矩 ， 这对于定位精度有一 定 的影响。第二 ， 机械手上下料系统要求在 1 0 s内 完成上下料动作 ， 因此对于 回转部分 而言， 需要 实 现 1 ． 0～1 ． 5 8内回转 1 8 0 。 并 准确定位 的功能 ； 第 三 ， 根据设计要求 ， 为保证齿 轮可 以顺利地安装到 机床上 ， 需要满足齿轮 中心孔与机床安装芯轴之间 的偏差为 0 ． 0 3～ 0 ． 0 5 r n m， 因此实现大惯量机构的 准确定位 、 克服机械 间隙带来 的误差 、 防止快速运 动时过冲现象是控制系统要解决的关键问题 。 针对 以上问题 ， 本文采用高性能的伺服系统配 合高精度的位置传感器构成 闭环控制来实现上下 料机械手 回转部分高速 、 高精度 的定位控制。具体 过程为 需要首先设 置伺服驱动器的电子齿轮 比， 使其脉冲当量符 合机械手的定 位精度 ，由于机械 手臂长为 R 3 2 5 m m， 则 回转 电机 的回转 角度允 许误差为 去 0 ． 0 3 ～ 0 ． 0 5 0 0 0 5 3 。0 0 0 8 8 0 因此 ， 可以取 电机 的脉 冲当量为 L 0 ． 0 0 5 。 ／ 脉冲0 ． 0 0 5 3 。 ， 由于伺 服电机采用 1 7位 增量式编码器 ， 行星减速器的减速 比为 l 5 ， 则 回转 伺服驱动器的电子齿轮 比为 P一 墨 一 ‘ 一 3 6 0 ／脉冲当量 一 3 2 7 6 8 X 4 ． 一 1 02 4 ⋯ l 5 2 接下来则需要对 回转运动过程进行设计 ， 图 4 所示为一个循环过程 回转伺服 电机速 度曲线 图。 整个回转过程分为快速段和慢速段 ， 快速段采用定 量控制方式 ， 合 理设置加减速 比率及 目标频率 ， 使 回转部分能够快速平稳地到达 目标点附近 ， 然后回 转部分 以慢速速度靠近 目标点 ， 准确 的目标点位置 是依靠高精度的位置传感器来检测 ， 为防止传感器 失灵造成危险 ， 慢 速段也使用定量控制 ， 这种依靠 位置反馈的控制方式克服了机械 间隙对于定位精 度 的影响。 ． 是根据控制精度结合 电机的脉 冲当 量 、 传感器及 P L C的响应时间来共 同确定。本文 中设置 P L C传感器输人 口的响应时间 t5 ms ， 则 慢速运行的速度为 L2 0 0 0 0 H z 3 0． 5 1 0- 3 0 ． 0 0 0 5 一 一 ⋯⋯⋯一 点 原 点 ／“ 图 4 回转伺服 电机速度 曲线 图 4 控 制系统软件设计 控制系统软件设计部分主要有触摸屏界面设 计和 P L C程序设计 2部分。触摸屏界面是由控制 按钮 、 状态显示灯 与界 面切换按钮 3部分组成 ， 本 控制系统主要有开机界面 、 系统 白检 、 系统调试 、 参 数设置 、 机械手运行及系统报警 6个界面。图5所 示为机械手运行界 面， 从上到下依 次为运行状态 灯 、 系统操作按钮 以及界面切换按钮 。运行状态灯 用来显示机械手上下料系统各个部分的运行状态 ， 系统操作按 钮用来发送相关 的动作指令 ， 使 P L C 完成相应的动作 ， 界面切换按钮用来切换到其他界 面 ， 完成系统参数设置 、 系统调试等功能。