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基于P L C的磁环搬运机械手设计 Desi gn o f car r yi ng m ani pul at or f or NdF eB m agnet i c r i ng bas ed on PLC 郑红梅,闫其龙,陈科,丁曙光,黄海元 ZHENG Ho n g . me i , Y AN Q_ _ l o n g , CHEN K e, DI NG Sh u gu a n g , HUANG Ha i y u a n 合肥工业大学 机械与汽车工程学院,合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 提出了一种配套油压式粉末成型压机的磁环搬运机械手设计方案,机械系统由手爪和X Y 运动平 台构成,实现对磁环的吸取和摆放。控制系统以西门子P L C 为控制柳 ,完成P L C 选型、I/ 0 口 的分配以及P L C g l, 围电路设计。软件设计采用结构化编程方法,分模块编程实现X 、Y 两个方 向的协调运动。同时通过配置伺服驱动器相关参数,以满足运动平台定位精度和速度要求。 该套搬运机械手简单可靠,达到了预期的设计目的,具有广泛的应用价值。 关键词钕铁硼磁环;搬运机械手;P L O ;伺服驱动;运动控制 中图分类号T P2 4 1 . 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 4 下 -o l 4 9 0 3 D o i 1 O . 3 9 6 9 / J . i s s n . 1 0 0 9 -0 1 3 4 . 2 0 1 5 . 0 4 下 . 4 5 0 引言 钕 铁硼 磁 环 由于 其优 异 的磁 性 能而 被称 为 “ 磁 王”。钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力,同时高能量 密度 的优 点使钕铁硼永磁材料在现代工业和 电子技术中 获得 了广泛应用“ ,相应地对磁环生产质量和生产效率 提出很高要求。 该钕铁硼磁环属于粉末冶金压制品,具有铁磁性 。 压制成型的磁环需要搬运码放之后烧结固化,在未进行 烧结前 ,脆性大、易碎;抓取移动过程 中要保持产 品的 结构完好 ,产 品结构如图1 所示 。实际生产 中搬运码放 的工序 由人工完成 ,生产效率低 ,人工成本高;而且人 工抓取容易使工件变形甚至报废 ,生产质量无法保障。 I , , / , / , , / 『 0 ‘ 一 西 R一 图1 钕铁硼磁环工件 图 为此,开发一种三 自由度搬运机械手口 ,该机械手 手爪 使用吸盘吸取工件避 免磁环 受径 向力作用变形 , X、Y 两个方 向的协调运动完成码放工作。 1 搬运机械手总体设计 粉末冶 金成型机的工作速度 是每分 钟成型1 2 个磁 环 ,在生产周期内,要求将压制完成 的钕铁硼磁环 自动 吸取、移送、摆放;摆满整个托盘后能够 自动卸盘、上 盘并回到初始装盘处继续摆放工件;磁环在工件存放盘 的摆放要紧凑 ,在达到精度要求的前提下尽量节省工件 存放盘的摆放空间。同时具有 自动循环、手动和调试工 作模式,以及故障报警、紧急停止等安全功能。 1 . 1搬运机械手组成 根据 以上设计要求 ,整个搬运机械手可分为控制系 统、传动系统、执行系统、监控系统等部分组成。传送 过程要求精确定位且平稳运转实现平稳运转 ,为此选用 同步带结合滚珠丝杠 的传动方案 。由于钕铁硼磁环脆性 大,取工件执行机构不能使用夹持机械手方案,而粉末 冶金具有铁磁性,选用 电磁吸盘吸取工件 。选用 的钕 铁硼磁环搬运机械手设计方案如图2 所示。 1 . 工件存放盘;2 .X轴向机架;3 .上盘 气缸 ;4 .Y轴向同步带 轮;5 .Y 轴 向伺服 电机 ;6 .Y 轴向机架;7 .气缸安装 架;8 .推动块;9 Y 轴向导轨 1 0 Y 轴向灌珠丝杠 ;I I . Y 轴向轴 承座与轴承 ;l 2 . 吸盘和吸盘气缸 ;1 3 . 卸盘气缸;l 4 .x轴向导孰;l 5 .x轴向滚珠丝杠 1 6 .Y轴向轴承座和轴承;l 7 .X轴向同步带轮1 8 .x轴向伺服电机 图2 钕铁硼磁环搬运机械手设计方案 收稿日期2 0 1 4 1 2 2 7 基金项目安徽省科技攻关项 目 2 0 1 3 AK KG 0 3 0 3 作者篇介郑红梅 1 9 6 5一,女,安徽合肥人,教授,博士,研究方向为数字化设计与制造。 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 0 4 下 [ 1 4 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 . 2 机械手工作过程分析 系统启动后,首先回到初始工作状态Y向丝杠 归原点 磁环推出位置和X向丝杠归原点 存放盘上 盘位置 ,同时上盘气缸3 顶起 ,卸盘气缸1 3 和吸盘气 缸l 2 收回。 XY工作 台协调运动完成 定位摆放工作 ,Y向丝杠 定位磁环x向位置,x向丝杠定位磁环Y向位置 。Y向丝 杠每摆满一列工件,x丝杠移动一个列间距的距离。 抓取 、放下磁环通过吸盘和吸盘气缸完成,吸盘气 缸下降到吸盘和磁环有效动作的距离内,吸盘通 电,吸 取工件 ;吸盘断电则放下工件 。 上盘和卸盘动作可分解为如下过程人工将存放盘 放在上盘气缸上,当X向丝杠归原点后 ,上盘气缸3 落 下,将存放盘放置在丝杠螺母载物台上,x向丝杠带动 存放盘运动到指定初始摆放位置完成上盘动作。当存放 盘满盘后 ,x向丝杠快速移动到卸盘位置,卸盘气缸1 3 顶起,完成卸盘动作。操作工人在下一个工件存放盘满 盘之前 ,搬走卸盘气缸上支撑的满工件存放盘 ,并在上 盘气缸上放一个空盘。 2 机械手控制系统设计 P L C是整个控制系统的核心,主要完成信号的采集 和 处理 、伺服定位控制 、气动系统控制 、系统运行状 态指示等功能H 】 。伺服驱动器作为驱动设备,接收来 自 P L C的指令脉冲 ,驱动 电机完成高精度 的定位 ,并反馈 给P L C 伺服准备就绪、伺服完成和伺服报警等信号。气 缸是主要的执行机构 ,通过P L C 控制 电磁换向阀完成对 气缸的控制 。机械手控制系统组成如图3 所示。 触摸屏 气缸限位 L 八 磁性开关 r 接 近 开 关 } P Lc 控 制 模 块 行程限位 L 开关r 自动运行 L J \ 启动/ 停止r 图3 机械手控制 系统组成 2 . 1 P L C 的选择 在选择P L C 时需要考虑以下几点吲 。 1 P L C 控制器 以及允许的拓展模块的I / O总点数能 够满足控制要求。 [ 1 5 0 1 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 - 0 4 下 2 P L C硬件配置和控制功能相适应。 机械手控制系统 主要的I / O点是被位置检测开关 、 报警指示灯 以及伺服控制端 口占用。估算控制系统需要 2 4 个输入点,1 9 个输 出点;留取1 5 %的余量,从而选取 输入点2 8 个,输出点2 2 个。 P LC 通过脉冲输 出控制伺服 电机运动,P LC 要实现 同时控制两个伺服 电机运动,因此P L C至少需要两个脉 冲输出端口。 选择西门子S 7 . 1 2 1 4 C为P L C控制器 。C P U主板拥 有4 路脉冲输 出 最高频率1 0 0 KH Z,可扩展多达8 个I , 0信号模块;完全满足机械手控制要求。同时还拥有一 个P R O F I N E T 接 口用于编程、H MI 和P L C 间通信。 2 . 2 系统l , O 分配 伺服驱动器1 和伺服驱动器2 分别表示钕铁硼磁环搬 运机械手Y向丝杠和x向丝杠伺服运动。伺服驱动器 与 P L C 之间的信息交换包括伺服准备就绪、定位完成、故 障报警脉冲输出、脉冲方向、指令脉冲禁止输入、伺 服使能、报警解除 。P L C与外部环境信息交换包括一 些工件和载物盘位置检测接近开关、工作台极限位置限 位 、气缸上下行程 限位 、气缸控制 电磁 阀等 。为了方便 调试、使用和故障分析 ,需要一些手动控制按钮和状态 指示灯等输入输出设备。 2 . 3 P L C 的I / O 接线 本系统属于非高精度位置控制系统 ,脉冲输 出方式 采用脉冲串加脉冲方 向。P L C 的输入是2 4 V,伺服驱动 器的输入端 口是5 V的T T L电平 ,因此P L C与伺服驱动器 的端 口之问需要串接2 K的分压 电阻。 气动系统的电磁阀不能直接由P L C 输 出驱动 ,需要 使用一个 中间继电器 R Y隔离控制 ;伺服驱动器输 出的信号是5 V的T T L电平 ,P L C也不能直接使用,需要 使用中间继 电器 K A隔离控制 中间继电器需并联 续流二极管 以保护输出接 口。西门子系列的P L C 输入 端 口是源/ 漏两用型的I ,将输入的M 1 M、2 M、3 M 端 口接电源负极时用作源型输入 低电平有效,因此 要选用P N P 型的三线制常开接近开关 。P L C 的输 出是高 电平输出有效 ,所有P L C输入到驱动器的信号,用共 阴 极接法连接 。 2 . 4 伺服驱动器参数设置 x、Y方向的运动控制是该搬运机械手定位摆放 的 关键,需要合理地配置伺服驱动器的参数,使伺服电机 的运动满足定位精度和运行速度要求。伺服驱动器参数 设置过程如下I 。 1 设置伺服 驱动器 的 电子齿轮 比。 电子 齿轮 比 的设置 与脉 冲 当量有 关 ,磁 环摆 放 的间距被 设 定为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 造 匐 似 l mm,定位精度 要求不高 。而 电子齿轮 比的设置范围 在 1 / 1 0 0 0 1 0 0 0 之 间,脉冲 当量选择 过大会使 电子齿 轮 比超 出允许 范 围。根据 公式 1 当选取脉 冲 当量为 L O . O 0 1 mm时,电子齿轮比为8 7 3 ,符合以上要求。配套 伺服电机采用2 0 位增量式编码器,同步带减速 比为1 ,丝 杠螺距D- 1 2 mm,则伺服驱动器的电子齿轮 比为 P 塑 矍 减 速比 一 丝杠螺距 ⋯⋯ 1 0 4 8 5 7 6 x 0 . 0 0 1 . 1 1 2 655 36 75 P L C的最高脉冲输 出频率为1 0 0 K H Z ,在最 高频率 下 电机所能达到转速S 一 为 。 旦墨 电 子 齿 轮比 2 编码器分辨 ⋯⋯ 皇 1 0 4 8 5 7 6 7 5 5 0 0 0 r / mi n 伺服电机的额定转速为3 0 0 0 r / m i n ,最高转速为6 0 0 0 r / ra i n ,所选电子齿轮 比能够满足 电机运行速度范围。 2 根据位 置控制要求,伺服驱动器需要设 定在位 置控制模式下,指令输入方式为脉冲序 列 脉冲 符号 。 参数设置情况如表2 所示 。 表1 Y向丝杠伺服驱动器参数设置 3 控制系统软件设计 编程软件采用西 门子最新的全集成 自 动化工具平台 T I A P o a l ,该软件集成了S t e p 7 编程软件以及Wi n C C组 态软件 ,使得P L C的编程和组态能够在一个集成环境中 完成,减少变量定义,使编程更简单高 彻。 采用 结构化编程结合 步进 顺控指令进行控 制系统 软件设计 。结构化编程要求分别编程实现X、Y向丝杠 运动以及相关气缸动作子程序,通过主程序调用各子程 序。各个子程序则按照生产工艺的时间顺序进行设计。 P L C 伺服准备就绪输入端 口接通时,机械手系统进 入初始化子程序 ,初始化动作包括Y向、x向丝杠 回原 点,上盘气缸顶起,吸盘气缸、卸盘气缸收回。初始化 动作完成后,空托盘下降,横 向丝杠带动托盘运动到初 始下料位置,按设定程序执行搬运动作。每次码放完成 后 ,Y向丝杠进入回原点程序 ,原点位置位于磁环推 出 位置,每次搬运完成都回原点,能够避免多次运行造成 的累积误差。机械手控制程序流程 图如图4 所示。 N 开始 二二[ 上 电初始 化 子程序 /人 工 \ 存 放盘 移 送 到初始 下 料位 置 磁 环抓取 Y向搬 运 二二 I 二 磁 环 码 放 工 Y 向回原 点 / --y i] 横向丝杠移l I 土 快速卸盘 I 二二 快速返回上盘 l 位置上盘 f 图4机械手控制程序流程图 Y 4 结论 本课题根据工 厂需要 ,设计 了一种针对成 型钕铁 硼磁环的 自动搬运机械手 该系统机械结构设计简洁合 理,有利于高效定位摆放多个工件控制系统基于P L C 控制 ,实现了工件 自动搬运 、托盘 自动装卸和故障报警 功能达到 了预期 目的。该系统投入到实际生产应用中 将大大改善劳动环境 ,提高产品质量,降低生产成本, 具有广泛的应用价值和广阔的市场前景 。 参考文献 【 l 】 钟明龙, 刘徽平. 我国钕铁硼永磁材料产业技术现状与发展趋势 【 J 】 . 电子元件 与材料, 2 0 1 3 , 3 2 1 o 6 - 7 . 【 2 1张野. 太阳能硅片移送用三 自由度机械手研究【 D 】 . 哈尔滨 哈尔 滨工业大学, 2 0 1 1 . 【 下转第 1 5 6 页】 第3 7 卷第4 期2 0 1 5 0 4 下 1 1 5 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总装车间的计划排程和执行进度 ,如何做好各车 间计划 的联动是解决问题的关键,ME S 系统直接管理到各车间 作业计划 ,对每个计划实时跟踪和记录,通过分析各计 划之间的成套关系给出提示和预期分析,辅助各车间计 划排产,尤其是总装车间的计划排产 。 影响总装车间计划排产的另一个主要因素就是零部 件的齐套性,ME S 系统通过结合B O M需求、零部件库 存、零部件线边库存、成套车间产能以及外购件在途库 存,综合分析给出零部件齐套分析,包括库存量、差异 量、预计交付时间等等 ,辅助计划员进行合理的计划排 产,提高排产的准确性和效率。 2 . 4 . 4 以配餐制进行零部件配送 高压开关的装配周期长,通常是多工程 同时装配 , 且往往受制于场地空间,给零部件的配送也带来很高的 要求 ,一方面要保证零部件的及 时供应,另一方面还要 考虑线边空间有限,同时不能容纳更多零件摆放,且多 工程混装,给管理带来难题,针对该 问题,ME S 系统结 合WMS 仓储系统 ,采取配餐制进行零部件配送 ,通过 ME S 系统按工程、节拍 、配餐原则生成领料单,WMS 按照领料单进行拣选 、出库 ,并及时配送到线边,一方 面保证 了零部件 的准 时配送,另一方面也保证 了按工程 配送,按工程装配。 2 . 5 ME S 系统应用效果 通过实施MES 系统,对车间作业执行过程进行 了全 面精细化管理 ,打通E RP 、ME S、WMS 的数据业务关 系,使物流、信息流高效统一,切实解决了计划排产、 零部件齐套、零部件供应等实际困难,结合全生命周期 的零部件跟踪管理、质量在线检测 以及现场应急处理机 制,使整个执行过程透 明、高效、可控,为高压开关 的 装配效率和装配质量提供 了有力保障。 3 结束语 ME S 系统 的实施是一个系统功能和企业 实际相 结 合的过程 ,在常规的管理思路下,要设计开发符合行业 特点、切合企业实际的功能模块,在高压开关行业的应 用即是这样,从企业的生产组织特点入手,擅于摒弃常 规的管理理念 规模化流水作业、关注投入产出的流程 行业等等 ,找到其生产瓶颈 ,如成套计划 、零件齐套 等关键问题进行有的放矢的解决,再结合其他功能的实 施,确保项 目接地气,从而保证了项 目的成功。 高压开关行业是一个高速发展 的行业 ,尤其是在 两化融合、智 能制造的大背景下,其制造工艺、管理水 平在不断提升 ,一方面其产品、零部件 向更加标准化 、 组件化发展,另一方面整个生产环境 、制造工艺也从车 间信息化 数字化车间向智能工厂 、智慧工厂发展 , ME S 系统的发展也是这样,一方面从计划 、作业 、质量 等实际功能入手,支持数字化车间的建设和运转,另一 方面也要向生产建模、大数据方面发展,发挥ME S 系统 信息中枢的作用,支持企业智慧工厂的建设。 参考文献 【 1 ] 德国工业4 .0 工作组. 实施 “ 工业4 .0 ”攻略的建议.2 0 1 3 年9 月. 【 2 ] 百度 百科. 高压开关, 2 0 1 4 年. 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T I A博 途 工程 框 架. h t t p / / www. i n d u s t r y . s i e me ns . c om. c n / a u t o m a t i o n / c n / z h / a u t o m a t i o n s ys t e ms / a u t o m a t i o ns o f t w a r e / t i a p o r t a l s o f t wa r e / t i a p o r t a l e ng i n e e r i n g f r a me wo r k / P a g e s / De f a u l t .a s p x . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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