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臥式數控車床上下料三軸（zhóu）機械手的（de）控製係統設計

2018-7-27 來源：浙江理工大學浙江省機電技師學院（yuàn）作者：趙正華楊文珍（zhēn）

摘要: 針對上下料機械手運動頻繁且可靠性要求高的特（tè）點，設計了基於三菱 PLC 的臥式數控（kòng）車床上下料機械手的電氣控製（zhì）係統硬件和軟件（jiàn）。硬件係統包括（kuò）主（zhǔ）控製（zhì）器、觸摸屏、伺服係統、電（diàn）源係統等，軟件係（xì）統包括運動控製模塊、通訊模塊、故（gù）障檢測（cè）模塊。為（wéi）了實現機械手工作狀態的在線監測，在實時采集機械手伺服電機編碼器位置（zhì）反饋信號的基礎上，提出了基於統計過程監控理論的（de）機械手早期故障檢測方法。該臥式數控車（chē）床上下料三軸機械手（shǒu）的控製係統，具有機（jī）械手早期（qī）故障檢測功能，可提高機（jī）械手的工作可靠性。

關鍵詞（cí）: 臥式數控（kòng）機床; 上下料機械手; 電控硬件; 電控軟件

0 前言

近年來（lái），我國勞（láo）動力（lì）成本不斷攀升（shēng），很多機械製造企業麵臨招工難、用工難的問題，迫切（qiē）需要提升自（zì）動化生產水平（píng），減少人工，提高勞動效率。機械手能夠實現數控車床的上下料自動取件，可以節省（shěng）人工，降低企業生（shēng）產成本（běn），是當前（qián）機械（xiè）製造企業自動化生產的重要發展方向。當前，我國應用工業機器人進行上下料的數控車床在行業內比例仍（réng）然較低。因此，上下料機械手的設計和研（yán）發有助於提高數控車床的自（zì）動化生（shēng）產水平，具有廣闊的應用前景。

謝誌江（jiāng）等建立了搬運機械手的三維（wéi）運動實體模（mó）型，分析了其動靜態（tài）特性，優化了截麵（miàn）結構，避免了機械（xiè）手的共振問題。鄧敏等（děng）人［2］研（yán）究了齒輪淬（cuì）火壓（yā）床上下料工藝要（yào）求，設計（jì）了齒輪淬火機械手的 PLC控製係（xì）統設計，並實踐證明了該係統（tǒng）設計合理可靠（kào）。趙錦榮［3］分析了數控雙動拉伸機自（zì）動化生產的工藝需求分（fèn）析，研（yán）發了拉伸機（jī）的上（shàng）下料專用機械手，用於實現拉伸機（jī）的上下料自（zì）動化（huà）和無人化，有效提高了拉伸機生產效率和產品質量。丁錦宏［4］分析了數控（kòng）車床上下料的（de）工藝流程，設計了基於 PLC 的（de）機械手控製係統，其中采用氣缸和步進電機驅動，給出了順序控製梯（tī）形圖程序設計思路。呂鵬飛［5］提出（chū）了一種圓柱坐標型的數控車（chē）床機械手方案，重（chóng）點介紹了手腕、手抓和手（shǒu）臂的設計。段成燕［6］研（yán）究了車床上下料的工序特點和動作（zuò）要（yào）求（qiú），基於有限元分析設計了機械手結構的關鍵部（bù）件，通過可更換爪式（shì）夾具，實現了一機多（duō）用的功能目（mù）標（biāo）。孔祥誌［7］設計了一種擺臂式車床上下料機械手，主要采用氣動方式，成本低，可靠性好，可適用於短軸類零件車削加工的自動上下料，但（dàn）是由於鐵（tiě）屑對運動部件的影（yǐng）響，因此該機械手（shǒu）不適用於車削量較（jiào）大（dà）的加工場合。

上述研（yán）究工作為數控車床機械手的研發（fā）提（tí）供（gòng）了基礎; 然而（ér），目前上下料機械手的控（kòng）製係統（tǒng）有待改進（jìn），特（tè）別是考慮到（dào）上下料機械手（shǒu）工（gōng）作環（huán）境惡劣，往複（fù）運動頻繁，且可靠性要求高（gāo）等特（tè）點，有必（bì）要設計一種具備故障監測功能的（de）上下料機械手控製係統（tǒng），以提（tí）高數控車床的自動化生成水平（píng）。

1 、臥式車床上（shàng）下料三軸機械手

文中針對圖 1 所示的臥式車床上（shàng）下料三軸機械手，設計該機械手的控製（zhì）係統。該機械手采用中央立柱，實現 “一拖二” 功能，即一台（tái）機械手（shǒu）滿足兩台臥式車床 ( I 和 II) 自動（dòng）上下料（liào）的工作。

圖 1 數控車床上下料機械手主體結構設計模型

1. 1 機械手的運動

機械手主要實現 x、y 和 z 軸向的 3 個直線運動，行程範圍可以根（gēn）據臥（wò）式車床（chuáng）型號具體確定。上述三軸運（yùn）動分別（bié）由鬆下 A5 係列伺（sì）服電機驅動（dòng），並配有相應的減速機。伺服電機驅動器采用脈衝信號控製輸入。此三軸伺服機械手的（de）優點是（shì）可以采用簡（jiǎn）化式（shì）料倉，即（jí）料倉無需運動，由機械手三維運動拾取料倉中排列的毛坯棒料。

1. 2 機（jī）械手的動作步驟

為了實現機（jī）械（xiè）手手部一次進入臥式車（chē）床內部後可以同時完成上料和下料的兩個動作要求，在此機械手（shǒu）z 軸底（dǐ）部設計（jì）了兩個三軸氣爪 B 和 C。這兩個氣爪 B和 C 的軸線（xiàn）成 90°布局設置，並且安裝（zhuāng）在同一個 180°旋轉的氣缸（gāng） A 上。因此，當機械手在料倉處時，利用豎直的氣缸 C 拾取（qǔ）毛坯棒料，進入車床內部靠近車床三爪卡盤之後，氣爪 B 拾取（qǔ）成品 ( 即下料) ，然後氣（qì）缸 A 旋轉 180°實現氣爪 B 和 C 交換位置，並把氣爪 C 中的毛坯棒料送入空的車床（chuáng）三爪卡盤當中( 實現上料動作) ，最後機械手手（shǒu）部退出車床，把氣爪（zhǎo） B 中的成品扔進成品筐，完成本次上下料工作（zuò）。下一循環是為（wéi）另一台車床（chuáng）上下料，也采取類似的動作順序，隻不過氣缸 B 和 C 位置和功能互換（huàn）。機械手的動（dòng）作順序如圖 2 所示，機（jī）械手為車床( I) 和車床 ( II) 輪流上下料並且不斷循環，機械手的工作時間顯著小於車床車削零件（jiàn）時間的（de） 1 /2。

圖 2 “一拖二”數控車床上下料機械手動作順序

2、上下料三軸機械手的控製係統

2. 1 機械手的電氣控（kòng）製硬件

機械手的電控硬件（jiàn）構（gòu）成如圖（tú） 3 所示（shì）。

圖 3 基於 PLC 的（de）上下料機械手的電控硬件

基於三菱 PLC 的工控模塊實現前述三軸伺（sì）服機械手的（de）控製。根據機械手控製所需輸（shū）入輸出的點數，此工控模塊選擇 FX3U-64MＲ型控製器為（wéi）主控製器，在標準模式下其基本指令執行時（shí）間隻需 0. 21 μs，在不帶定位模塊情況下，可（kě）以方（fāng）便地實現三軸定位和聯動，可以滿足本機械手運動控製需求。此外，選擇（zé）GS2107-WTBD 三菱觸摸屏（píng）作為人（rén）機交互（hù）界麵，用（yòng）於機械手工作（zuò）參數設置和設備控製。

為提高該電控係統電磁兼容性，設計了電源濾波器模塊，以防止被外界電磁幹擾和（hé）幹擾電源（yuán）。供電電源經過濾（lǜ）波器之後，由斷（duàn）路器 ( 空開) 進行上電控製，並經過熔斷器和交流接觸器給伺服驅動係統供電。交流接觸器可以由伺服上電按鈕控製（zhì），也可以（yǐ）設計成由 PLC 輸出點控製。此外，根據（jù）伺服驅動（dòng）器工作需要，配置製動電阻。由於鬆下 A5 交流伺（sì）服電機和配套驅動器以（yǐ）及三菱 PLC、觸摸屏都是 220 V 交流電供（gòng）電，所以電源濾（lǜ）波器、斷路（lù）器、熔斷器和交流接觸器等選擇兩相即（jí）可，同時（shí）具備接地線。三菱 PLC 利用脈衝信號給伺服驅動器指令，驅動器采集伺服電機（jī）的位置編碼器反饋指（zhǐ）令並（bìng）根據（jù）控製結果給伺服電機輸出控製電流。三（sān）菱 FX3U-64MＲ型 PLC 與三菱觸摸屏（píng） GS2107-WTBD之（zhī）間采用ＲS-422 串行通信方式直接交換控製指令和設（shè）定參數。三菱觸摸屏 GS2107-WTBD 是人機交互的設備，其（qí）內部程序由三菱觸摸屏編程軟件 GT Desig-ner 開發，主要包括通訊軟件（jiàn）模塊、控製參數（shù）設定模（mó）塊、機械（xiè）手啟停模塊等。設計機械手的電櫃布（bù）局時，應當將（jiāng）較重的部件放在（zài）下（xià）麵（miàn），如變壓（yā）器 ( 如果需要) ; 在電（diàn）控櫃上（shàng）部安裝易發熱元件 ( 如驅動器、製動電阻等) ，並靠近排風口位置; 同時控製線纜與驅動器、驅動線纜分開（kāi）走線。電控櫃製作時（shí）還要注意電纜（lǎn）線材的選擇。機械手控製係統必須同時配合 3 個軸的兩端極限位置和原點位置傳感器，可以選擇非接觸式（shì）的開關量霍爾傳感器。

FX3U-64MＲ型 PLC 控製器（qì）的（de）端口 Y0、 Y1、 Y2可以輸出最高頻率為 100 k Hz 的脈衝。基於這些脈衝信號和（hé）其他端口的方向信號，可以通過驅動器控製伺服電機的（de）轉速和轉角，從而實現機械手 3 個方向（xiàng）的移動速度和移動位置（zhì）。基於三菱 FX3U-64MＲ型 PLC 可以采（cǎi）用 PLSY 和 PLSＲ指令，可方便地實（shí）現上述三軸的加減速控製和定位控製。

2. 2 機械手的電氣控製軟（ruǎn）件

該機械手要（yào）實現 “一拖二” 的車（chē）床自動上下料（liào），三菱 FX3U 係列 PLC 支持步進（jìn）順序（xù）控製梯（tī）形圖程序。因此，利用圖 2 給出（chū）的上下料機械手動作步驟，在（zài）確定各步驟轉移條件基礎上，可以（yǐ）繪製出該機械手的工作狀態轉移圖，並根據狀態轉移圖編製（zhì）三（sān）菱 PL-CFX3U-64MＲ型 PLC 的步進順序（xù）梯形圖。該型 PLC 由於（yú）具有（yǒu）專（zhuān）門的定位控製指令和控製寄存（cún）器，可以十分便利地實現三軸伺服運動控製。各軸直線運動的起始位置、終點位置、加速時間、減速時間、最大速度等均用數據寄存（cún）器（qì）存儲（chǔ），以便用戶根據需要在觸摸屏中設定 ( 即（jí）觸摸屏通過ＲS-422 通訊將參數值寫入數據寄存器) 。此機械手的（de）的軟件模塊如圖 4 所示。

圖 4 數控機械（xiè）手 PLC 具有的軟件模塊

初始化軟件模塊中 PLC 完成自檢和輸（shū）入輸出通道檢測（cè）。找原點軟件模塊根據（jù）用戶在觸摸屏中的操作指令，啟動後（hòu）各軸都按照一定的位置搜索模式（shì）移動到原點位置。通訊軟件模塊實（shí）現 PLC 與觸摸屏的ＲS-422 通訊，即接收觸摸屏傳送過來的控製指令和控（kòng）製參數，並執行相應動作和存儲相應控製參數。步進順序控製模塊完成圖 2 所示的車床上下料動作。手動控製模塊用於機械手操作員的手動示教，即手動控製各軸運動 ( 點動或連續動) 找到相應的工序（xù）位置並存（cún）儲位置數據，用於步進順序控製。三（sān）菱 PLC 采（cǎi）用 GXWorks 編程完成程序編（biān）製。

2. 3 機械手的故障監測（cè）

該機械手控製（zhì）係（xì）統軟（ruǎn）件還設計有故障監測軟件模塊，對機械手非正常抖動（dòng）或非正常振動的故障（zhàng）進行監測。該（gāi）機械手故障診斷方法主要是基於機械手工作過程中動作的重複性，利用（yòng）統計過程監（jiān）控原理（lǐ），針對機（jī）械手 3 個軸的伺（sì）服電機編碼器的位置（zhì）饋信（xìn）號 ( 即脈衝信號) ，在時（shí）域分析其殘差（chà）的均值、方差、峰值等統計特征值（zhí），可以用特征值的計算（suàn）結果判斷（duàn）故障狀態（tài）。記正常（cháng）狀態下（xià）機械手 x 軸的標準位（wèi）置軌（guǐ）跡（jì）為x( n) ，n 從 1 到 N ( 表示時間) 。x( n) 表（biǎo）示了該（gāi）軸的加速、勻速和減速 3 個過程。假設某次工（gōng）作狀態下，監測得（dé）到的位置軌跡為（wéi） x'( n) ，n 從 1 到 N，則殘（cán）差的（de）均值 M、方差 V，峰值 P 等特（tè）征值分別計算（suàn）如下:

計算出上述特征（zhēng）之後，並與事先存儲的正常狀態下位置反饋信號進行比較，從而判斷機械手工作狀態。其他 Y 軸和 Z 軸的（de）故障監測（cè）方法也相同。

3 、結束語

機器換人是我國機械製造企業發展的必然趨勢，本文作者依據上下料機械手（shǒu）的工作特點，設計了一種具備故障監測（cè）功（gōng）能的上下料機械手控製係統。該係統（tǒng）能夠定期采（cǎi）集機械（xiè）手伺服電機編碼器位置反饋信（xìn）號（hào），基於統計過程監控理論利用時域（yù）特征值進（jìn）行機（jī）械手故障診斷，提高了機械手的可靠性。

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