臥式數控車床上下料三軸機械手的控制系統設計
2018-7-27 來源： 浙江理工大學 浙江省機電技師學院 作者：趙正華 楊文珍
摘要: 針對上下料機械手運動頻繁且可靠性要求高的特點，設計了基于三菱 PLC 的臥式數控車床上下料機械手的電氣控制系統硬件和軟件。硬件系統包括主控制器、觸摸屏、伺服系統、電源系統等，軟件系統包括運動控制模塊、通訊模塊、故障檢測模塊。為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反饋信號的基礎上，提出了基于統計過程監控理論的機械手早期故障檢測方法。該臥式數控車床上下料三軸機械手的控制系統，具有機械手早期故障檢測功能，可提高機械手的工作可靠性。
關鍵詞: 臥式數控機床; 上下料機械手; 電控硬件; 電控軟件
0 前言
近年來，我國勞動力成本不斷攀升，很多機械制造企業面臨招工難、用工難的問題，迫切需要提升自動化生產水平，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，可以節省人工，降低企業生產成本，是當前機械制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然較低。因此，上下料機械手的設計和研發有助于提高數控車床的自動化生產水平，具有廣闊的應用前景。
謝志江等建立了搬運機械手的三維運動實體模型，分析了其動靜態特性，優化了截面結構，避免了機械手的共振問題。鄧敏等人［2］研究了齒輪淬火壓床上下料工藝要求，設計了齒輪淬火機械手的 PLC控制系統設計，并實踐證明了該系統設計合理可靠。趙錦榮［3］分析了數控雙動拉伸機自動化生產的工藝需求分析，研發了拉伸機的上下料專用機械手，用于實現拉伸機的上下料自動化和無人化，有效提高了拉伸機生產效率和產品質量。丁錦宏［4］分析了數控車床上下料的工藝流程，設計了基于 PLC 的機械手控制系統，其中采用氣缸和步進電機驅動，給出了順序控制梯形圖程序設計思路。呂鵬飛［5］提出了一種圓柱坐標型的數控車床機械手方案，重點介紹了手腕、手抓和手臂的設計。段成燕［6］研究了車床上下料的工序特點和動作要求，基于有限元分析設計了機械手結構的關鍵部件，通過可更換爪式夾具，實現了一機多用的功能目標。孔祥志［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，可適用于短軸類零件車削加工的自動上下料，但是由于鐵屑對運動部件的影響，因此該機械手不適用于車削量較大的加工場合。
上述研究工作為數控車床機械手的研發提供了基礎; 然而，目前上下料機械手的控制系統有待改進，特別是考慮到上下料機械手工作環境惡劣，往復運動頻繁，且可靠性要求高等特點，有必要設計一種具備故障監測功能的上下料機械手控制系統，以提高數控車床的自動化生成水平。
1 、臥式車床上下料三軸機械手
文中針對圖 1 所示的臥式車床上下料三軸機械手，設計該機械手的控制系統。該機械手采用中央立柱，實現 “一拖二” 功能，即一臺機械手滿足兩臺臥式車床 ( I 和 II) 自動上下料的工作。
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，行程范圍可以根據臥式車床型號具體確定。上述三軸運動分別由松下 A5 系列伺服電機驅動，并配有相應的減速機。伺服電機驅動器采用脈沖信號控制輸入。此三軸伺服機械手的優點是可以采用簡化式料倉，即料倉無需運動，由機械手三維運動拾取料倉中排列的毛坯棒料。
1. 2 機械手的動作步驟
為了實現機械手手部一次進入臥式車床內部后可以同時完成上料和下料的兩個動作要求，在此機械手z 軸底部設計了兩個三軸氣爪 B 和 C。這兩個氣爪 B和 C 的軸線成 90°布局設置，并且安裝在同一個 180°旋轉的氣缸 A 上。因此，當機械手在料倉處時，利用豎直的氣缸 C 拾取毛坯棒料，進入車床內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 180°實現氣爪 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中( 實現上料動作) ，最后機械手手部退出車床，把氣爪 B 中的成品扔進成品筐，完成本次上下料工作。下一循環是為另一臺車床上下料，也采取類似的動作順序，只不過氣缸 B 和 C 位置和功能互換。機械手的動作順序如圖 2 所示，機械手為車床( I) 和車床 ( II) 輪流上下料并且不斷循環，機械手的工作時間顯著小于車床車削零件時間的 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制系統
2. 1 機械手的電氣控制硬件
機械手的電控硬件構成如圖 3 所示。
圖 3 基于 PLC 的上下料機械手的電控硬件
基于三菱 PLC 的工控模塊實現前述三軸伺服機械手的控制。根據機械手控制所需輸入輸出的點數，此工控模塊選擇 FX3U-64MＲ 型控制器為主控制器，在標準模式下其基本指令執行時間只需 0. 21 μs，在不帶定位模塊情況下，可以方便地實現三軸定位和聯動，可以滿足本機械手運動控制需求。此外，選擇GS2107-WTBD 三菱觸 摸屏 作 為 人 機 交互 界 面，用于機械手工作參數設置和設備控制。
為提高該電控系統電磁兼容性，設計了電源濾波器模塊，以防止被外界電磁干擾和干擾電源。供電電源經過濾波器之后，由斷路器 ( 空開) 進行上電控制，并經過熔斷器和交流接觸器給伺服驅動系統供電。交流接觸器可以由伺服上電按鈕控制，也可以設計成由 PLC 輸出點控制。此外，根據伺服驅動器工作需要，配置制動電阻。由于松下 A5 交流伺服電機和配套驅動器以及三菱 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，同時具備接地線。三菱 PLC 利用脈沖信號給伺服驅動器指令，驅動器采集伺服電機的位置編碼器反饋指令并根據控制結果給伺服電機輸出控制電流。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定參數。三菱觸摸屏 GS2107-WTBD 是人機交互的設備，其內部程序由三菱觸摸屏編程軟件 GT Desig-ner 開發，主要包括通訊軟件模塊、控制參數設定模塊、機械手啟停模塊等。設計機械手的電柜布局時，應當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熱元件 ( 如驅動器、制動電阻等) ，并靠近排風口位置; 同時控制線纜與驅動器、驅動線纜分開走線。電控柜制作時還要注意電纜線材的選擇。機械手控制系統必須同時配合 3 個軸的兩端極限位置和原點位置傳感器，可以選擇非接觸式的開關量霍爾傳感器。
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。基于這些脈沖信號和其他端口的方向信號，可以通過驅動器控制伺服電機的轉速和轉角，從而實現機械手 3 個方向的移動速度和移動位置。基于三菱 FX3U-64MＲ 型 PLC 可以采用 PLSY 和 PLSＲ 指令，可方便地實現上述三軸的加減速控制和定位控制。
2. 2 機械手的電氣控制軟件
該機械手要實現 “一拖二” 的車床自動上下料，三菱 FX3U 系列 PLC 支持步進順序控制梯形圖程序。因此，利用圖 2 給出的上下料機械手動作步驟，在確定各步驟轉移條件基礎上，可以繪制出該機械手的工作狀 態 轉 移 圖，并 根 據 狀 態 轉 移 圖 編 制 三 菱 PL-CFX3U-64MＲ 型 PLC 的步進順序梯形圖。該型 PLC 由于具有專門的定位控制指令和控制寄存器，可以十分便利地實現三軸伺服運動控制。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器存儲，以便用戶根據需要在觸摸屏中設定 ( 即觸摸屏通過 ＲS-422 通訊將參數值寫入數據寄存器) 。此機械手的的軟件模塊如圖 4 所示。
圖 4 數控機械手 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。找原點軟件模塊根據用戶在觸摸屏中的操作指令，啟動后各軸都按照一定的位置搜索模式移動到原點位置。通訊軟件模塊實現 PLC 與觸摸屏的 ＲS-422 通訊，即接收觸摸屏傳送過來的控制指令和控制參數，并執行相應動作和存儲相應控制參數。步進順序控制模塊完成圖 2 所示的車床上下料動作。手動控制模塊用于機械手操作員的手動示教，即手動控制各軸運動 ( 點動或連續動) 找到相應的工序位置并存儲位置數據，用于步進順序控制。三菱 PLC 采用 GXWorks 編程完成程序編制。
2. 3 機械手的故障監測
該機械手控制系統軟件還設計有故障監測軟件模塊，對機械手非正常抖動或非正常振動的故障進行監測。該機械手故障診斷方法主要是基于機械手工作過程中動作的重復性，利用統計過程監控原理，針對機械手 3 個軸的伺服電機編碼器的位置饋信號 ( 即脈沖信號) ，在時域分析其殘差的均值、方差、峰值等統計特征值，可以用特征值的計算結果判斷故障狀態。記正常 狀態 下 機 械 手 x 軸 的 標 準 位 置 軌 跡 為x( n) ，n 從 1 到 N ( 表示時間) 。x( n) 表示了該軸的加速、勻速和減速 3 個過程。假設某次工作狀態下，監測得到的位置軌跡為 x'( n) ，n 從 1 到 N，則殘差的均值 M、方差 V，峰值 P 等特征值分別計算如下:
計算出上述特征之后，并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 軸的故障監測方法也相同。
3 、結束語
機器換人是我國機械制造企業發展的必然趨勢，本文作者依據上下料機械手的工作特點，設計了一種具備故障監測功能的上下料機械手控制系統。該系統能夠定期采集機械手伺服電機編碼器位置反饋信號，基于統計過程監控理論利用時域特征值進行機械手故障診斷，提高了機械手的可靠性。
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