专用深孔镗床上下料机械手PLC控制系统设计.pdf

第 9期 2 0 1 2年 9月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c hi ne Too l Au t o mat i c M a nu f ac t ur i ng Te c h ni q ue N0． 9 Se p．2 01 2 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 2 0 90 0 7 6 0 3 专用深孔镗床上下料机械手 P L C控制系统设计 邓 娜 ， 陈艳 红 开封大学 机 电工程学院， 河南 开封4 7 5 0 0 4 摘要 文 章 以专用 深孔镗床 上 下料机 械 手为研 究对 象 ， 在 对其 结构 进行 分 析 的基础 上 ， 针 对机 械 手 的 各种 动作 ， 利 用 P L C编程 实现 机械 手的 自动化 过 程 ， 完成 了系统 的硬 件 和软 件 设计 。文章 详 细 阐述 了机 械手 的 工作流 程步骤 和 活动 方式 ， 根 据该 机械 手的 工作特 点 ， 采用步 进顺 序控 制 方 式 ， 设 计 了 I ／ 0分 配 图、 工作流 程 图 以及 相 关程 序 ， 实现 了手动 和 自动 两种 控 制 方 案 。结 果 表 明 ， 该 设 计 程序 简 单 ， 便 于调试 ， 具有 较 强的可操 作性 和 实用性 。 关键 词 P L C； 上 下料 机械 手 ； 控 制 中图分类 号 T H1 6 2 ； T P 2 4 1 文献标 识码 B De s i g n o f M a ni pul a t o r f o r De di c a t e d De e p Ho l e Bo r i n g M a c hi ne Bas e d on PLC DENG Na，CHEN Ya n- h o n g Ka i f e n g Un i v e r s i t y Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n E n g i n e e r i n g D e p a r t me n t ，K a i f e n g He n a n 4 7 5 0 0 4，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e ma n i p u l a t o r f o r d e d i c a t e d d e e p h o l e b o r i n g ma c h i n e a s t h e r e s e a r c h i n g o b j e c t ，i n t r o d u c e s t h e s y s t e m ha r d wa r e a n d s of t wa r e d e s i g n i n g o f ma n i p u l a t o r ba s e d o n PLC．De s c r i b e s i n d e t a i l t h e wo r k p r oc e s s e s a n d a c t i v i t i e s f o r ma n i p u l a t o r ． Ac c o r d i n g t o t h e wo r k c ha r a c t e r i s t i c o f t he s y s t e m ， s t e p p i n g s e q u e n c e c o n t r o l i s a do p t e d S O a s t o s i mp l i f y p r og r a m ．Gi v e n s t h e P LC I ／0 l i s t a n d d e s i g n s r e l a t e d p r o c e du r e s t o p r o v i d e ma n ua l a n d a u t o ma t i c c o n t r ol p r o g r a m ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e s t r uc t u r e o f d e s i g n i s c o n c i s e，t h e o p e r a t i o n i s c o n v e n i e nt a n d t h e s y s t e m h a s h i g h s t a b i l i t y a n d p r a c t i c a l i t y ． Ke y wo r ds P LC；ma n i p u l a t o r；c o nt r o l O 引言 机 械手 和机器 人 是 工业 自动化 的重 要 装 置 。在 机械制造和加工企业 中， 机械 手常被用于单 机或 自 动线 上 专 区传 送 工 件 、 刀具 、 材 料 等 ， 以减 轻 操 作 工 人 的劳 动强 度 ， 同 时 还 可 以大 大 提 升 生 产 效 率 。 本 文 以深孔专 用 镗床 的上 、 下料 工 业 机 械手 为 例 ， 用 P L C控制系统实现控制 。该机械手可用于汽车底盘 厂 自卸 车举 升 油 缸 的专 用 深 孔 镗 床 的上 料 和 下 料 ， 以实现单 机 自动化 。 1 确定控 制对 象的控 制要 求 1 机械 手 的结构 和运 动 机 械手 的外 形及料 架 配 置 如 图 1所 示 。机 械 手 主要 由手指、 手腕 、 小臂和大臂等组成 。料架为旋转 式 ， 由托 料盘 和刺 轮机 构 等 组成 ， 托 料 架 上能 放 六 个 待加 工的缸筒 ， 料架每送一次料要单 向运转 6 0度， 以实现 待 加 工 工 件 的 转 换 。 机 械 手 的 运 动 主 要 包 括 手 指 的夹 紧 和松 开 ， 手腕 的横 移 ， 小臂 的伸 缩 ， 大 臂 的摆 动 。 机械手的动作顺序 原始位置 大臂竖立， 小臂伸 出并处 于水平 、 手腕横 移 向右 、 手 指松 开 一 手 指夹 紧 抓住卡 盘上的工件 一手腕 横移 向左 从 卡盘 上卸 下 工件 一小 臂 上摆 一 大臂 下摆 一 手指 松 开 将 工 件放 在料架 上 一小臂缩 回一 料架转位一 小臂伸 出一手 指 夹 紧 抓住待加 工 的工件 一 大臂 上摆 从 料架 上取走 工件 一 小臂 下摆 一 手腕 横移 向右 机械 手 把工 件 装 到深孔 镗床 的卡盘上 一 手指松开 原位 。 1 ． 手指2 ．手腕 3 ．小臂 4 ．缸筒 5 ．大臂 6 ．料架 图 1 上 、 下 料 机 械 手 外 形 结 构 及 料 架 配 置 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 8； 修回 日期 2 0 1 2 0 3一 O 1 作者简介 邓娜 1 9 8 1 一 ， 女 ． 湖南郴州人 ， 开封大学机电工程学院讲 师， 硕士 ， 主要从事电气 自动控制等研究 ， Em a i l k f d x d n 1 2 6 ． c o rn。 2 0 1 2年 9月 邓 娜 ， 等专用深孔镗床上下料机械手 P L C控制系统设计 7 7 2 上 、 下 料机 械手 的 主 电路 电动 机 M 为油 泵 电动 机 ， 机 械 手 工 作 时 必 须 先 起动油泵电动机 M， 提供 压力油使液压 系统操 作 电 磁 阀驱动 机械 手 动作 。 由热 继 电器 F R进 行 长 期 过 载保 护 ， 通过 变压 器 向信号 灯提 供 6 ． 3 V交 流 电 。 3 上 、 下 料机 械手 的 工作方 式 上 、 下 料 机 械 手 有 手 动 、 回原 点 、 单 周 期 半 自 动 和 自动 四种工 作方 式 ， 由选 择 开关 S A进行 选 择 。 开关 扳 到 自动位 置 ， 按起 动按 钮 ， 机 械 手 按顺 序 自动 工作 ， 完成一个 上下料 自动循环后机械 手停 下来处 于原 始位 置 。此 时 ， 深 孔 镗 床 开 始进 行 加 工 ， 加 工 完 毕 ， 机械 手又 重复 上述 动作 。 4 上 、 下 料 机械手 的液压 系统 上 、 下料 机械手 的各个 运 动部 分 均 由液 压 系统 直 接驱 动 ， 动作顺序通 过控制 液压系统 的电磁 阀来 实现 。 2 I ／ o 端 子 分 配 按 照机械 手 控 制 和 工 艺 流 程 的 要 求 ， 确 定 P L C 的输 入信 号有 2 1 个 ， 输 出信 号有 2 6个 。根 据 I ／ O端 子 的 数 量 和 种 类 ， 选 择 F X 一 3 2 MR 基 本 单 元 和 F X 一 3 2 E R扩 展单 元 ， P L C的 I ／ O分 配如 表 l所列 。 表 1上 、 下 料 机 械 手 P LC 控 制 系统 I ／ o 端 子 分 配 表 输入端 输 出端 输入信号 输出信号 子 号 子 号 热继 电器触点 F R X 0 接触器 KM线圈 Y 0 油泵电动机起动按钮 S B 1 X1 手指夹紧 Y V1 a Y1 油泵电动机停止按钮 S B 2 X 2 手指松开 Y V 1 b Y 2 转换 开关 S A回原点信 号 X 3 手腕横移向左 Y V 2 a Y 3 转换 开关 S A单周期信 号 X 4 手腕横 移向右 Y V 2 b Y 4 转换 开关 S A 自动信号 X 5 小臂伸出 Y V 3 a Y 5 转换 开关 S A手动信号 X 6 小臂缩回 Y V 3 b Y 6 机械手回原点按钮 S B 5 X 7 料架转位 Y V 6 Y 7 手指夹紧按钮 S B 6 X1 O 小臂上摆 Y V 4 a Y1 0 手 指 松 开 按 钮 S B 7 X1 1 小 臂 下 摆 Y V 4 b Y1 1 手腕横移向左按钮 S B 8 X1 2 大臂上摆 Y V 5 a Y1 2 手腕 横移向右按 钮 S B 9 X 1 3 大臂 下摆 YV 5 b Y1 3 小臂伸出按钮 S B I O X 1 4 油泵电动机运转显示 H L 1 Y 2 O 小臂缩回按钮 S B 1 I X 1 5 机械手 自动工作显示 H L 2 Y 2 1 小臂上摆按钮 S B 1 2 X 1 6 机械手手动工作显示 H L 3 Y 2 2 小臂下摆按钮 S B 1 3 X 1 7 料架转位显示 H L 4 Y 2 3 大臂上摆按钮 S B 1 4 X 2 0 手指夹紧显示 H L 5 Y 2 4 大臂下摆按钮 S B1 5 X 2 l 手指松开显示 H Y 2 5 料架转位按钮 S B1 6 X 2 2 手腕横移向左显示 H L 7 Y 2 6 机械手起动按钮 S B 3 X 2 3 手腕横移向右显示 H L 8 Y 2 7 机械手停止按钮 S B 4 X 2 4 小臂伸出显示 H L 9 Y 3 O 小 臂 缩 回 显 示 H L I O Y 3 1 小臂上摆显示 H L 1 1 Y 3 2 小 臂 下 摆 显 示 H L 1 2 Y 3 3 大 臂 上 摆 显 示 H L 1 3 Y 3 4 大臂下摆显示 H L 1 4 Y 3 5 3绘制状态流程 图 上 、 下 料 机 械 手 在 自动 工 作 时各 个 动 作 为顺 序 动作 ， 完 成一 个动 作后 自动 转 到 下 个动 作 ， 所 以在 程 序设 计 时采 用 功 能 图法 ， 用 步 进 指 令 实 现状 态 与 状 态之 间 的 自动转换 ， 状 态 流程 图如 图 2所 示 。 回 I 臣 M 8 0 4 1 状态转移开始 一 M 8 o 4 4 原 点 位置 条 件 匿 一 十n l 三 0 o 匡 一 L 他I K 1 5 0 匿 匡 卜 _ T 囹小 臂 上 摆 。 。 一 匡 一 十 l 4 0 0 匡 干 。 一 匡 一 向右 图 2上 、 料 机 械 手 自动 循 环 控 制 状 态 流 程 图 4设 计 梯 形 图 机械 手 控制 的全 过 程包 括 初 始 化 、 手 动 、 回原 位 等控 制 内容 。 1 初始 化程 序 在初 始 化 程 序 中 ， 设 置 了 机 械 手 初 始 状 态 和 原 点位 置 条件 ， 运 用 功 能 指 令 F N C 6 0 I S T ， 通 过 辅 助 继 电器 MO～M7将 不连 续 的输 入信 号 转 换 为连 续 的 输 入信 号 ⋯ 。若 机 械手 选 择 手 动 方 式 X 6O N ， 则手 动 初 始 状 态 s 0被 置 位 ， 可 以进 行 手 动 操 作 ； 若 机械 手选 择 自动 或 单 周 期 方 式 ， 应 先 在 手 动 方 式 或 回原 点方 式 下 使 机 械 手 先 回原 点 ， 然 后 是 X 5O N 自动 或 使 X 4O N 单 周 期 ， 自动 进 入 自动 方 式 初始 状态 ， S 2被 置 位 ， 可 进行 自动 或 单 周期 操 作 ； 若 开关 S A在 回原 点位 置 X 3O N ， 程 序 自动进 入 回 原 点初始 状 态 ， s l被置 位 ， 可进行 回原点操 作 。 2 回原 点程 序 上 、 下料机 械手 自动工 作状态 时 ， 若 机械手不 在原 始 位置 ， 先将 转换开关 扳在 回原 点位置 ， 然后 按 回原点 按 钮 S B 5 X 7O N ， 则 回原 点程 序 自动 进行 ， 使 机械 手 回到原 始位置 。 回原位程 序采用各 电磁 阀同时动作 来 完成 ， 必 须先起动 油泵 电动机 ， 为保证能 回到要 求 的 原点位 置 ， 由定时器 T 0 延 时控制 动作完成 。 3 手动方 式 程序 手动 方 式程 序如 梯形 图 3所示 。S 0为 手 动方 式 7 8 组 合机床 与 自动化 加工 技术 第 9期 的初始状态 ， 机械手各个动作均 由点动按钮控制相 应 的电磁 阀而 实现 。 4 自动方式 程 序 在 自动方式的状态流程图 中， s 2为 自动方式 的 初 始状 态 ， 特 殊辅 助 继 电器 M8 0 4 4和 M8 0 4 1的状 态 都 在初 始化 程序 中设 定 。机 械 手 的各个 动 作 顺 序 用 步进指 令控 制 ， 状 态转 换 条 件 由各 动 作 对 应 的 定 时 器 给出 。 右 左 图 3上 、 下料机械手 P L C控制梯形图 S 3 2 n n r ’ r I 一 H s 3 3 nn T 二 UU I l 3I UU T j J 一 I l YO I I ， ； 1 l＼ 刑 X5 l ⑩ X6 l ⑩ Y7 l ⑩ Y1 l 手 Y2 _ _ 1 l ⑩ 寻 Y3 I ⑩ 弓 Y4 I ⑩ 弓 Y5 ． - 1 I ⑩ ，J Y6 ． _ 1 l ⑩ ，J Yl 0 I ，J Y1 1 l ⑩ Y1 2 I Yl 3 l l 竺 l 下转 第 8 2页 8 2 组 合机床 与 自动化 加工技 术 第 9期 热 ， 与热 像仪 进 行 测 量 得 到 满 足 刀具 与 刀 柄 配 合 的 感 应温 度数 据 ， 利 用 主 因 素 分 析 方 法得 到 最 优 感 应 加 热温 度 ， 如 表 2所 示 。表 1 与 表 2实 验数据 的不 同 主 要在 于实 际 热 装 夹 头 加 热 时 ， 由于其 刀 柄 材 料 组 织不均匀， 实际加热过程 中存在热交换等 因素。但 是 ， 表 1得到 的优 化 数 据 可 为 实 际 热装 夹 头 的 加 热 提 供理论 指 导 ， 表 2所 得 到 最优 数 据 可作 为 实 际 生 产 过程 中感应 加热 的参 考 。 化 加 热 刀 柄 时 域 内力 信 号 图 5 0 0 4 o 0 3 0 o 2 0 o 1 00 O l 00 2 0 o 一3 0o ／、 厂、 厂＼ 八 ／、 ／＼ 厂、＼ ／ 妒 7 删 枷 图 9传 统 加 热 刀柄 时域 内信 号 图 5 结束语 热 装刀 柄 以其 夹 持精 度 高 、 夹 持力 强 、 弯 曲刚 度 高 和动 平衡 性能 好 ， 得 到广 泛 应用 。然而 ， 热 装 刀 柄 在加热过程中如果温度过高 ， 会导致热变形很大， 使动 平衡 性能差 。因而 ， 本 文通 过有 限元 与 实验分 别 对刀 柄加热 的最 优温度进行 了研 究 ， 并得 到以下 结论 1 传统加热刀柄与优化加热刀柄分别进行 切 削铝 合金 实验 ， 通过 两 者 的切 削 力 时域 信 号分 析 ， 优 化加 热刀 柄 的切 削 平稳 性 更 好 ， 刀柄 变 形 量小 ， 刀具 与 刀柄装 配后对 动平 衡性 能影 响小 。 2 分 别 采 用 A N S Y S电磁 ． 热 ． 结 构 耦 合 有 限元 分析 与 MA R Q U A R T中频感 应 加热 ， 与 热像 仪 进行 测 量 ， 得 到 两者最 优化 加 热数 据 ， 其 中有 限元 分 析 为 实 验提供 理论 指 导 ， 实 验 数 据 可 为 实 际热 装 夹 头 与 刀 具加 热配 合提供 依据 。 [ 参考文献] [ 1 ]S c h a l z ． I H．高速加工发展概况 [ J ] ．机械制造 与 自动化 ， 2 0 0 2 2 48 ． [ 2 ]王树林 ， 王贵成 ， 王 柱．H S K工具 系统标 准分 析 [ J ] ．丁 具技术 ， 2 0 0 3 ， 3 7 2 1 31 6 ． [ 3 ]宋志鹏 ， 王 贵成 ， 王树林 ， 等．H S K热装 刀柄 刀具 系 统径向刚度分析[ J ] ．工具技术 ， 2 0 1 0 4 4 8 ． [ 4 ]G C Wa n g ，S L Wa n g ，W G Wu ，e t a 1 ．S t i f f n e s s o f H S K t o o l i n g s y s t e m i n h i g h s p e e d m a c h i n i n g [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e Fo r um ，2 00 6， 5 05 5 07 46 9 4 7 4． [ 5 ]沈健 ， 张海岩 ．静压膨 胀式 刀柄 、 应力锁 紧式刀柄 和热装 式刀柄的性能 比较[ J ] ．工具技术 ， 2 0 0 5 2 3 9 4 1 ． [ 6 ]朱 良慧 ， 钱 志 良．刀 具 夹头 感 应 加 热 的温 度模 型研 究 [ J ] ．工具技术 ， 2 0 0 8 2 5 0 5 2 ． [ 7 ]费业泰．机械热变形理论 及应 用[ M] ． 北 京 国防工业出 版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 8 ]党沙沙 ， 张红松 ．A N S Y S 1 2 ． 0多物理耦 合场限元分 析从 入门到精通[ J ] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 9 ]李春胜 ， 黄德彬 ．机械 工程 材料 手 册 金属 材料 上册 [ M] ．北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 ． 编辑李秀敏 上接 第 7 8页 按 起动 按 钮 S B 3 X 2 3O N ， 机 械 手 从 原 始 位 置 按动 作顺 序 进 行 自动 循 环 工 作 ， 当完 成 一 次 自动 循环后 ， 机械手重新 回到原点位置 ， 若机械手选择单 周 期方 式 ， 为第二 次 循 环做 准 备 。若 选择 自动 方 式 ， 机 械手 自动 进入 第二 次循环 。 5 其 它方 面 油泵 电动机和机 械手 起 动工 作为 顺序 起动 关 系。 油泵 电动机停转 时 ， 机械手工作停 止 ； 但机械手停 止工 作 时 ， 油泵 电动机 仍运转 。如图中初始化程序 。 油泵 电动 机 停 车 或 过 载 、 机 械 手 由 自动 工 作 方 式 转换 为手 动 工作 方式 、 或按 下机 械 手 停止 按 钮 时 ， 机械 手均应 停 止工作 。 5 结束语 P L C装置作为工业控制器 ， 具有可靠性高 、 体积 小 、 功能 强 等 优 点 。应 用 P L C控 制 工 业 机械 手 实 现 各种规定的工 序动作 ， 可 以在有害环境下代替人 的 繁重劳动 ， 提 高生产效率。当系统控制要求发生变 化时 ， 不 需 要 改 变 硬 件 ， 只需 重 新 编 程 ， 有 利 于扩 展 维护 。 同时 ， 采 用 步 进 顺 序 控 制 编 程 ， 可 使 程 序 简 化 ， 便 于调 试 ， 具有较 强 的可操 作性 和实 用性 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]代明 ， 肖华 ， 叶超 ． 硅钢 片检验流水线输送机械手 的设计及 应用 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 0 2 8 8 9 0 ． [ 2 ]丛 明， 刘 冬 ， 杜宇 ， 等．P L C伺 服控 制在太 阳能 电池 组件 搬运机械手 中的应用 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技 术 ， 2 0 1 1 9 6 66 9． [ 3 ]宋娟．上下料机械手 P L C控 制系统 设计 [ J ] ．装备 制造 技 术 ， 2 0 0 8 1 0 5 45 5 ． [ 4 ]赵献丹 ， 张 良栋 ， 赵虎．压铸机 浇铸机械手 P L C控制系统 设计 [ J ] ．机械工程师 ， 2 0 1 1 1 1 5 55 6 ． [ 5 ]常斗南．可编程序控 制器 [ M] ．北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 05． [ 6 ]郭艳萍．电气控制 与 P L C应 用 [ M] ．北 京 人 民邮 电出 版 社 ， 2 01 0 ． [ 7 ]易铭．基于 I S T指令的 P L C控制 的机械手设计 [ J ] ． 机 电 产 品开发 与创新 ， 2 0 0 8 1 1 1 6 91 7 0 ． [ 8 ]王月芹．基于 P L C的机械 手控制 系统设 计 [ J ] ．液 压 与 气动 ， 2 0 1 1 9 4 1 4 3 ． [ 9 ]赵丽梅 ．镗 床机 械 手 的 P L C控 制 [ J ] ．煤 矿机 械 ， 2 0 0 8 4 1 8 31 8 5 ． [ 1 O ]秦展 田．镗床专用机械手 P L C控制系统设计 [ J ] ．桂林 航天工业高等专科学校学报 ， 2 0 0 5 3 1 21 4 ． 编辑赵蓉 ● ～ ■