臥式數(shù)控車床上下料三軸機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-7-27 來(lái)源： 浙江理工大學(xué) 浙江省機(jī)電技師學(xué)院 作者：趙正華 楊文珍
摘要: 針對(duì)上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)頻繁且可靠性要求高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于三菱 PLC 的臥式數(shù)控車床上下料機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)硬件和軟件。硬件系統(tǒng)包括主控制器、觸摸屏、伺服系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等，軟件系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、通訊模塊、故障檢測(cè)模塊。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，在實(shí)時(shí)采集機(jī)械手伺服電機(jī)編碼器位置反饋信號(hào)的基礎(chǔ)上，提出了基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程監(jiān)控理論的機(jī)械手早期故障檢測(cè)方法。該臥式數(shù)控車床上下料三軸機(jī)械手的控制系統(tǒng)，具有機(jī)械手早期故障檢測(cè)功能，可提高機(jī)械手的工作可靠性。
關(guān)鍵詞: 臥式數(shù)控機(jī)床; 上下料機(jī)械手; 電控硬件; 電控軟件
0 前言
近年來(lái)，我國(guó)勞動(dòng)力成本不斷攀升，很多機(jī)械制造企業(yè)面臨招工難、用工難的問(wèn)題，迫切需要提升自動(dòng)化生產(chǎn)水平，減少人工，提高勞動(dòng)效率。機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車床的上下料自動(dòng)取件，可以節(jié)省人工，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，是當(dāng)前機(jī)械制造企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。當(dāng)前，我國(guó)應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料的數(shù)控車床在行業(yè)內(nèi)比例仍然較低。因此，上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)和研發(fā)有助于提高數(shù)控車床的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。
謝志江等建立了搬運(yùn)機(jī)械手的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)體模型，分析了其動(dòng)靜態(tài)特性，優(yōu)化了截面結(jié)構(gòu)，避免了機(jī)械手的共振問(wèn)題。鄧敏等人［2］研究了齒輪淬火壓床上下料工藝要求，設(shè)計(jì)了齒輪淬火機(jī)械手的 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并實(shí)踐證明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠。趙錦榮［3］分析了數(shù)控雙動(dòng)拉伸機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)的工藝需求分析，研發(fā)了拉伸機(jī)的上下料專用機(jī)械手，用于實(shí)現(xiàn)拉伸機(jī)的上下料自動(dòng)化和無(wú)人化，有效提高了拉伸機(jī)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。丁錦宏［4］分析了數(shù)控車床上下料的工藝流程，設(shè)計(jì)了基于 PLC 的機(jī)械手控制系統(tǒng)，其中采用氣缸和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，給出了順序控制梯形圖程序設(shè)計(jì)思路。呂鵬飛［5］提出了一種圓柱坐標(biāo)型的數(shù)控車床機(jī)械手方案，重點(diǎn)介紹了手腕、手抓和手臂的設(shè)計(jì)。段成燕［6］研究了車床上下料的工序特點(diǎn)和動(dòng)作要求，基于有限元分析設(shè)計(jì)了機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，通過(guò)可更換爪式夾具，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的功能目標(biāo)。孔祥志［7］設(shè)計(jì)了一種擺臂式車床上下料機(jī)械手，主要采用氣動(dòng)方式，成本低，可靠性好，可適用于短軸類零件車削加工的自動(dòng)上下料，但是由于鐵屑對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的影響，因此該機(jī)械手不適用于車削量較大的加工場(chǎng)合。
上述研究工作為數(shù)控車床機(jī)械手的研發(fā)提供了基礎(chǔ); 然而，目前上下料機(jī)械手的控制系統(tǒng)有待改進(jìn)，特別是考慮到上下料機(jī)械手工作環(huán)境惡劣，往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁，且可靠性要求高等特點(diǎn)，有必要設(shè)計(jì)一種具備故障監(jiān)測(cè)功能的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)，以提高數(shù)控車床的自動(dòng)化生成水平。
1 、臥式車床上下料三軸機(jī)械手
文中針對(duì)圖 1 所示的臥式車床上下料三軸機(jī)械手，設(shè)計(jì)該機(jī)械手的控制系統(tǒng)。該機(jī)械手采用中央立柱，實(shí)現(xiàn) “一拖二” 功能，即一臺(tái)機(jī)械手滿足兩臺(tái)臥式車床 ( I 和 II) 自動(dòng)上下料的工作。
圖 1 數(shù)控車床上下料機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型
1. 1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)
機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn) x、y 和 z 軸向的 3 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，行程范圍可以根據(jù)臥式車床型號(hào)具體確定。上述三軸運(yùn)動(dòng)分別由松下 A5 系列伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配有相應(yīng)的減速機(jī)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用脈沖信號(hào)控制輸入。此三軸伺服機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是可以采用簡(jiǎn)化式料倉(cāng)，即料倉(cāng)無(wú)需運(yùn)動(dòng)，由機(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)拾取料倉(cāng)中排列的毛坯棒料。
1. 2 機(jī)械手的動(dòng)作步驟
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手部一次進(jìn)入臥式車床內(nèi)部后可以同時(shí)完成上料和下料的兩個(gè)動(dòng)作要求，在此機(jī)械手z 軸底部設(shè)計(jì)了兩個(gè)三軸氣爪 B 和 C。這兩個(gè)氣爪 B和 C 的軸線成 90°布局設(shè)置，并且安裝在同一個(gè) 180°旋轉(zhuǎn)的氣缸 A 上。因此，當(dāng)機(jī)械手在料倉(cāng)處時(shí)，利用豎直的氣缸 C 拾取毛坯棒料，進(jìn)入車床內(nèi)部靠近車床三爪卡盤之后，氣爪 B 拾取成品 ( 即下料) ，然后氣缸 A 旋轉(zhuǎn) 180°實(shí)現(xiàn)氣爪 B 和 C 交換位置，并把氣爪 C 中的毛坯棒料送入空的車床三爪卡盤當(dāng)中( 實(shí)現(xiàn)上料動(dòng)作) ，最后機(jī)械手手部退出車床，把氣爪 B 中的成品扔進(jìn)成品筐，完成本次上下料工作。下一循環(huán)是為另一臺(tái)車床上下料，也采取類似的動(dòng)作順序，只不過(guò)氣缸 B 和 C 位置和功能互換。機(jī)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) 輪流上下料并且不斷循環(huán)，機(jī)械手的工作時(shí)間顯著小于車床車削零件時(shí)間的 1 /2。
圖 2 “一拖二”數(shù)控車床上下料機(jī)械手動(dòng)作順序
2、 上下料三軸機(jī)械手的控制系統(tǒng)
2. 1 機(jī)械手的電氣控制硬件
機(jī)械手的電控硬件構(gòu)成如圖 3 所示。
圖 3 基于 PLC 的上下料機(jī)械手的電控硬件
基于三菱 PLC 的工控模塊實(shí)現(xiàn)前述三軸伺服機(jī)械手的控制。根據(jù)機(jī)械手控制所需輸入輸出的點(diǎn)數(shù)，此工控模塊選擇 FX3U-64MＲ 型控制器為主控制器，在標(biāo)準(zhǔn)模式下其基本指令執(zhí)行時(shí)間只需 0. 21 μs，在不帶定位模塊情況下，可以方便地實(shí)現(xiàn)三軸定位和聯(lián)動(dòng)，可以滿足本機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制需求。此外，選擇GS2107-WTBD 三菱觸 摸屏 作 為 人 機(jī) 交互 界 面，用于機(jī)械手工作參數(shù)設(shè)置和設(shè)備控制。
為提高該電控系統(tǒng)電磁兼容性，設(shè)計(jì)了電源濾波器模塊，以防止被外界電磁干擾和干擾電源。供電電源經(jīng)過(guò)濾波器之后，由斷路器 ( 空開) 進(jìn)行上電控制，并經(jīng)過(guò)熔斷器和交流接觸器給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。交流接觸器可以由伺服上電按鈕控制，也可以設(shè)計(jì)成由 PLC 輸出點(diǎn)控制。此外，根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器工作需要，配置制動(dòng)電阻。由于松下 A5 交流伺服電機(jī)和配套驅(qū)動(dòng)器以及三菱 PLC、觸摸屏都是 220 V 交流電供電，所以電源濾波器、斷路器、熔斷器和交流接觸器等選擇兩相即可，同時(shí)具備接地線。三菱 PLC 利用脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器指令，驅(qū)動(dòng)器采集伺服電機(jī)的位置編碼器反饋指令并根據(jù)控制結(jié)果給伺服電機(jī)輸出控制電流。三菱 FX3U-64MＲ 型 PLC 與三菱觸摸屏 GS2107-WTBD之間采用 ＲS-422 串行通信方式直接交換控制指令和設(shè)定參數(shù)。三菱觸摸屏 GS2107-WTBD 是人機(jī)交互的設(shè)備，其內(nèi)部程序由三菱觸摸屏編程軟件 GT Desig-ner 開發(fā)，主要包括通訊軟件模塊、控制參數(shù)設(shè)定模塊、機(jī)械手啟停模塊等。設(shè)計(jì)機(jī)械手的電柜布局時(shí)，應(yīng)當(dāng)將較重的部件放在下面，如變壓器 ( 如果需要) ; 在電控柜上部安裝易發(fā)熱元件 ( 如驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)電阻等) ，并靠近排風(fēng)口位置; 同時(shí)控制線纜與驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)線纜分開走線。電控柜制作時(shí)還要注意電纜線材的選擇。機(jī)械手控制系統(tǒng)必須同時(shí)配合 3 個(gè)軸的兩端極限位置和原點(diǎn)位置傳感器，可以選擇非接觸式的開關(guān)量霍爾傳感器。
FX3U-64MＲ 型 PLC 控制器的 端 口 Y0、 Y1、 Y2可以輸出最高頻率為 100 k Hz 的脈沖。基于這些脈沖信號(hào)和其他端口的方向信號(hào)，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手 3 個(gè)方向的移動(dòng)速度和移動(dòng)位置。基于三菱 FX3U-64MＲ 型 PLC 可以采用 PLSY 和 PLSＲ 指令，可方便地實(shí)現(xiàn)上述三軸的加減速控制和定位控制。
2. 2 機(jī)械手的電氣控制軟件
該機(jī)械手要實(shí)現(xiàn) “一拖二” 的車床自動(dòng)上下料，三菱 FX3U 系列 PLC 支持步進(jìn)順序控制梯形圖程序。因此，利用圖 2 給出的上下料機(jī)械手動(dòng)作步驟，在確定各步驟轉(zhuǎn)移條件基礎(chǔ)上，可以繪制出該機(jī)械手的工作狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 移 圖，并 根 據(jù) 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 移 圖 編 制 三 菱 PL-CFX3U-64MＲ 型 PLC 的步進(jìn)順序梯形圖。該型 PLC 由于具有專門的定位控制指令和控制寄存器，可以十分便利地實(shí)現(xiàn)三軸伺服運(yùn)動(dòng)控制。各軸直線運(yùn)動(dòng)的起始位置、終點(diǎn)位置、加速時(shí)間、減速時(shí)間、最大速度等均用數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)，以便用戶根據(jù)需要在觸摸屏中設(shè)定 ( 即觸摸屏通過(guò) ＲS-422 通訊將參數(shù)值寫入數(shù)據(jù)寄存器) 。此機(jī)械手的的軟件模塊如圖 4 所示。
圖 4 數(shù)控機(jī)械手 PLC 具有的軟件模塊
初始化軟件模塊中 PLC 完成自檢和輸入輸出通道檢測(cè)。找原點(diǎn)軟件模塊根據(jù)用戶在觸摸屏中的操作指令，啟動(dòng)后各軸都按照一定的位置搜索模式移動(dòng)到原點(diǎn)位置。通訊軟件模塊實(shí)現(xiàn) PLC 與觸摸屏的 ＲS-422 通訊，即接收觸摸屏傳送過(guò)來(lái)的控制指令和控制參數(shù)，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作和存儲(chǔ)相應(yīng)控制參數(shù)。步進(jìn)順序控制模塊完成圖 2 所示的車床上下料動(dòng)作。手動(dòng)控制模塊用于機(jī)械手操作員的手動(dòng)示教，即手動(dòng)控制各軸運(yùn)動(dòng) ( 點(diǎn)動(dòng)或連續(xù)動(dòng)) 找到相應(yīng)的工序位置并存儲(chǔ)位置數(shù)據(jù)，用于步進(jìn)順序控制。三菱 PLC 采用 GXWorks 編程完成程序編制。
2. 3 機(jī)械手的故障監(jiān)測(cè)
該機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件還設(shè)計(jì)有故障監(jiān)測(cè)軟件模塊，對(duì)機(jī)械手非正常抖動(dòng)或非正常振動(dòng)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該機(jī)械手故障診斷方法主要是基于機(jī)械手工作過(guò)程中動(dòng)作的重復(fù)性，利用統(tǒng)計(jì)過(guò)程監(jiān)控原理，針對(duì)機(jī)械手 3 個(gè)軸的伺服電機(jī)編碼器的位置饋信號(hào) ( 即脈沖信號(hào)) ，在時(shí)域分析其殘差的均值、方差、峰值等統(tǒng)計(jì)特征值，可以用特征值的計(jì)算結(jié)果判斷故障狀態(tài)。記正常 狀態(tài) 下 機(jī) 械 手 x 軸 的 標(biāo) 準(zhǔn) 位 置 軌 跡 為x( n) ，n 從 1 到 N ( 表示時(shí)間) 。x( n) 表示了該軸的加速、勻速和減速 3 個(gè)過(guò)程。假設(shè)某次工作狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)得到的位置軌跡為 x'( n) ，n 從 1 到 N，則殘差的均值 M、方差 V，峰值 P 等特征值分別計(jì)算如下:
計(jì)算出上述特征之后，并與事先存儲(chǔ)的正常狀態(tài)下位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，從而判斷機(jī)械手工作狀態(tài)。其他 Y 軸和 Z 軸的故障監(jiān)測(cè)方法也相同。
3 、結(jié)束語(yǔ)
機(jī)器換人是我國(guó)機(jī)械制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，本文作者依據(jù)上下料機(jī)械手的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具備故障監(jiān)測(cè)功能的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠定期采集機(jī)械手伺服電機(jī)編碼器位置反饋信號(hào)，基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程監(jiān)控理論利用時(shí)域特征值進(jìn)行機(jī)械手故障診斷，提高了機(jī)械手的可靠性。
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