基于PLC的数控教学机械手柔性制造系统.pdf

P L C与 D O S PL C an d DCS 自动化技术与应用 2 0 1 5年第 3 4卷第 l 1 期 基于 P L C的数控教学机械手柔性制造系统 ★ 王荣华 ． 张燕斌 1 ． 内蒙古机 电职业技术学院机电系 ， 呼和浩特 0 1 0 0 7 0 l 2 ． 内蒙古农业大学职业技术学院 ， 土右旗 0 1 4 1 0 9 摘 要 根据高职教育特色 ， 结合教学实际设计了用于教学的数控机械手上下料系统。该研究结果能使机械手与数控车床配合 ， 实现自动化与无人化的零件加工 ， 是一种小型柔性制造单元在数控加工中的具体应用。该系统为学习PLC及其他相关课 程提供 了一种理想的示教装置。 关键词 教学机械手 ； 柔性制造系统 ； P L C； 数控 中图分类号 T P 2 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 - 7 2 4 1 2 0 1 5 1 1 - 0 0 7 5 - 0 4 NC T e a c h i n g Ro b o t F l e x i b l e Ma n u f a c t u r i n g Sy s t e m Ba s e d O n PL C G Ro n g - h u a 。 ZHANG Ya n - b i n 1 ． I n n e r Mo n g o l i a D e p a r t me n t T e c h n i c a l C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d E l e c t r i c s ， H o h h o t 0 1 0 0 7 0 C h i n a ； 2 ． I r me r Mo n g o l i a A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y V o c a t i o n a l and T e c h n i c a l C o l l e g e ， T u y o u 0 1 4 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e t e a c h i n g a c t u a l s i t u a t i o n ，a r o b o t u p d o wn ma t e ria l s y s t e m i s d e s i g n e d． Re s u l t s s ho w t h a t i t c a n a p p l y t o i n d u s t r y Ro b o t o f u p - -d o wn ma t e ria l a n d t h e p r o - -c e s s i n g t e c h n o l o g y o f NC l a t h e r e a l i z e s a u t o ma t i o n a n d u n ma n n e d a b o u t u p - - d o w n ma t e ri a l i n n u me ri c a l c o n t r o l NC ma c h i n e ． On e k i n d s ma l l fl e x i b l e ma n u f a c t u r i n g u n i t i n n u me ri c a l c o n tr o l NC ma c h i ne i s r e a l i z e d ． Th e s y s t e m p r o v i d e s t h e PLC a nd o t h e r r e l a t e d c o u r s e s a n i d e a l t e a c h i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s t e a c h i n g r o b o t ； fle x i b l e ma n u f a c t u r i n g s y s t e ms ； PLC； NC 1 引言 基于国内机械手 自动化生产线的广阔发展前景 ， 近 几年机器人技术人才需求一直非常紧张。为使相关专业 的学生能尽快掌握机械手在 自动化生产方面的运用 ， 达 到一个较高的起点和水平 ， 一些高校研究开发了机械手 自动化实训室 n l 。作为国家骨干高职 院校 ， 内蒙古机 电 职业技术学院也在积极改革包括机电一体化技术、机械 制造 自动化、数控技术等专业体系 ， 积极探索机器人、 自动化生产线、机床电气控制与 P LC应用等相关课程 的理实一体化教学。内蒙古机电学院机电工程系拥有全 区最大的中央财政支持的数控基地 ， 现有数控车、数控 基金项 目 2 0 1 5 年内蒙古 自 治区教育厅高等学校科学技术研究项 目 编号 N I Z C 3 2 6 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 - 1 1 铣、加工 中心等各类生产型设备 5 9台 ， 每年承担近千 名学生的校内实训实习。因此结合教学实际 ， 在现有数 控基地的基础上开发了基于 P L C的数控机械手的毛坯 件上下料柔性制造系统。 2 总体方案与功能确定 2 ． 1 加工工件 的选定 学 院数 控基 地常年 承担大量 学生 实训 、实 习、 比赛及 社会培训 ， 对毛坯 件的需求相对 较大。如果 毛坯 件 由指导教师 在普通 车床加 工 ，由人工装 夹 ， 平均每 分钟只 能加工 1个 ， 其 中切 削加工 时间只有 2 0 s ，而两次装夹需要 4 0 s 左右 ， 一天工作 8小时最 多加 工 4 8 0件 ， 而且工 作环境差 ， 劳 动强度大 ， 存 在较 大的安全 隐患 ，即费时费工 又不环保 ， 并且整 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 5 年 第3 4 卷 第1 1 期 P L G 与D G S PL C a n d DCS 工业应用中机器人末端执行器多采用双指结构 ， 其 运动方式可分为平移型和回转型 ， 回转型手爪又可分为 单支点回转型和双支点回转型 ， 按夹式方式可分为外夹 式和内撑式 ， 按驱动方式可分为电动 或电磁 、液压和 气动三种。本系统需要末端执行器加持的工件重量不超 过 3 k g， 直径不超过 1 0 0 mm， 长度不超过 1 5 0 mm并且 均为轴类工件。考虑到本系统的教学功能 ， 将两个末端 执行器设计成不同结构 ， 其中 1 号执行器为单支点回转 型外夹式双指结构 ， 2 号执行器为平移型外夹式双指结 构 ， 两执行器均为气动驱动。末端执行器结构及安装位 置如图 6 所示。 4 控制方案设计 本系统是机器人、数控车床与输送装置联合控制工 作的柔性制造系统 ， 控制系统需要协调机器人与数控车 床以及机器人与输送装置 的工作 ， 需要建立各单元之 间安全可靠 的通讯机制。采用机器人控制系统作为上 位机 ， PLC控制器 西 门子 S 7 -2 0 0 和车床数控系统 C NC 作为下位机 ， 采用快速 I ＼ O通讯模式 ， P L C的 输入信号包括启动、停止等主令开关信号 ， 机械手气爪 驱动气缸的工作限位信号等 ； 输出信号包括输出到卸料 位、末端执行器的继电器控制信号 ， 输出到伺服电机驱 动器的脉冲信号和驱动方向信号以及显示系统的工作状 态指示信号等 。在硬件方面 ， 通过屏蔽信号 电缆将各 单元之间的 P L C 处理器中相应的输入与输出点进行连 接 ， 屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。软件方面 ， 通过 ABB机器人专用应用软件 ， 根据采集数控车床、 输送装置和机器人当前状态 ， 编写相应的符合加工过程 的控制程序 ， 最终达到各单元的有效通讯 [ 1 0 1 ． 5 结束语 该研究结果能使机器人与数控车床配合 ， 有效地组 合工业机器人上下料技术及数控车床加工技术于一体 ， 实现零件加工过程 中上下料的自动化 ， 是小型柔性制造 单元在数控加工中的具体应用。同时该系统为学习PL C 控制、工业机器人及其他相关课程提供 了一种实际的示 教装置 ，内蒙古机 电职业技术学院机 电系拟定围绕数控 教学机械手柔性制造系统开展相关毕业综合设计 ， 受到 学院师生的普遍欢迎。 参考文献 [ 1 】郭洪武 ． 浅析机械手的应用与发展趋势 [ J 】 ．中国西部 科技 ， 2 0 1 2 1 0 2 3 --2 6 ． [ 2 】黄诗义 ． 高职院校工学交替人才培养模式的研究 [ J 】 ． 合肥工业大学学报 社科版 ， 2 0 1 0 4 1 4 9 --1 5 3 ． 【 3 】刘艳华 ， 何高清等 ． 柔性车削中心上下料机构设计和 控制 【 J 】 ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 1 2 7 9 6 -- 1 0 2 ． [ 4 】王世鹏 ， 解艳彩等 ． 柔性制造单元上下料机构的改进 设计 [ J 】 ． 组合机床与自动化加工技术 ， 2 0 1 1 6 8 5 -- 9 0 ． [ 5 】郑泽钿 ， 陈银清等 ． 工业机器人上下料技术及数控 车床加工技术组合 应用研究 [ J 】 ． 组合机床与 自动化加工技 术 ， 2 0 1 3 7 1 0 5 --1 0 8 ． [ 6 】叶晖， 管小清 ． 工业机器人实操与应用技巧[ M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 0 1 8 -- 2 5 ． 【 7 】聂文杰 ． 教学用数控铣床与机械手模型的设计与控制 [ D 】 ． 硕士学位论文 ， 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 1 ． [ 8 】陈东 ， 常德功 ． 基于运动控制卡的冲床辅助机械手研 究 [ J 】 ． 新技术新工艺 ， 2 0 1 5 2 9 --1 2 ． [ 9 ]9 彭一航 ． 基于西门子 PL C技术的机械手控制系统设 计 [ J 】 ． 价值工程 ， 2 0 1 4 7 5 1 - 5 3 ． 【 l 0 】吴启迪 ． 柔性制造 自动化的原理与实践 【 M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 7 5 8 - 6 6 ． 作者简介 王荣华 1 9 8 1 一 ， 女 ， 硕士研究生 ， 讲师、工程师 ， 研究研 究方 向 机械制造技 术、机 电一体化技 术。