近年來(lái)，隨著我國(guó)沿海地區(qū)的勞動(dòng)力成本的不斷上升，勞動(dòng)密集型的制造業(yè)對(duì)于升級(jí)自動(dòng)化設(shè)備、降低普工數(shù)量的需求驟然猛增。筆者受某大型成套模架生產(chǎn)企業(yè)的委托，開(kāi)發(fā)了一套基于氣壓驅(qū)動(dòng)、變頻傳送、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以PLC控制技術(shù)為核心機(jī)械手分裝自動(dòng)線設(shè)備，可以代替人工分揀分裝，實(shí)現(xiàn)模具導(dǎo)套、導(dǎo)柱、回位彈簧等標(biāo)準(zhǔn)件的自動(dòng)化分揀分裝，減少了企業(yè)對(duì)普工的需求，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，為企業(yè)增加了效益。

1 分裝自動(dòng)線工作要求

　　本自動(dòng)線的工作任務(wù)是代替人工分裝方式，將如圖1所示的模具典型標(biāo)準(zhǔn)件——模具導(dǎo)套進(jìn)行分裝，采用自動(dòng)線工作方式，按照2×2的方式分盤(pán)分裝，分裝所用的工藝分裝盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2工藝分裝盤(pán)結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)線整體設(shè)計(jì)方案

　　本自動(dòng)線的工作流程設(shè)計(jì)方案如圖3所示，自動(dòng)線采用“送件——取件——分裝——轉(zhuǎn)運(yùn)”的工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，自動(dòng)線主要由氣動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、變頻輸送帶機(jī)構(gòu)、五自由度分裝氣動(dòng)機(jī)械手等主要機(jī)構(gòu)構(gòu)成，并有兩個(gè)工作區(qū)，分別是分裝工作區(qū)和轉(zhuǎn)運(yùn)工作區(qū)。該機(jī)械手分裝自動(dòng)線的具體工作流程設(shè)計(jì)方案是：

圖3機(jī)械手分裝自動(dòng)線工作流程示意圖

　　(1)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，五自由度機(jī)械手進(jìn)行初始化，各傳感器部件進(jìn)行自檢，各氣缸進(jìn)行測(cè)試動(dòng)作，初始化檢測(cè)完畢后，方可啟動(dòng)系統(tǒng)；

　　(2)系統(tǒng)啟動(dòng)后檢測(cè)到取件臺(tái)2無(wú)工件，同時(shí)柱形垂直供料倉(cāng)11有工件(導(dǎo)套等標(biāo)準(zhǔn)件)，則啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)輸送帶9運(yùn)轉(zhuǎn)；

　　(3)工件送料氣缸12頂出，工件推出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)10一方面擋住柱形垂直供料倉(cāng)1l剩余工件不落料，同時(shí)引導(dǎo)工件送料氣缸12頂出的工件進(jìn)輸送帶9，頂出到位后，工件送料氣缸12復(fù)位，工件推出導(dǎo)向機(jī)構(gòu)10復(fù)位，柱形垂直供料倉(cāng)11中的工件在重力作用下自動(dòng)落料；

　　(4)工件進(jìn)入輸送帶9后，在輸送帶9的傳送下，經(jīng)過(guò)檢測(cè)工件傳感器7判斷工件姿態(tài)是否導(dǎo)正，經(jīng)過(guò)次品檢測(cè)傳感器6判斷工件是否為次品，經(jīng)過(guò)傳感器6、7綜合判斷若判定工件不合格，則不合格件運(yùn)轉(zhuǎn)到次品推料氣缸4位置時(shí)，次品推料氣缸4頂出，將不合格件推人次品導(dǎo)向料斗5，使不合格工件被分檢出工作循環(huán)；

　　(5)經(jīng)過(guò)傳感器6、7綜合判定工件合格，則工件在傳送帶的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下，被傳送至取件臺(tái)2，取件臺(tái)工件傳感器2感應(yīng)到有工件后，則停止變頻傳送機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)五自由度機(jī)械手進(jìn)行取件；

　　(6)取件臺(tái)工件傳感器2感應(yīng)到有工件后，五自由度機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至取件臺(tái)2處，移動(dòng)機(jī)械手到取件位置，抓取工件，然后旋轉(zhuǎn)至分裝工作區(qū)，將工件放置到工藝分裝盤(pán)的1號(hào)分裝位；

　　機(jī)械手從取件臺(tái)2取走工件后，氣動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、變頻輸送帶機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行供料，保證自動(dòng)線工作期間取件臺(tái)2始終有工件待取；

　　機(jī)械手依次循環(huán)，直至工藝分裝盤(pán)的2、3、4位分裝完工件；

　　(7)機(jī)械手完成工藝分裝盤(pán)的分裝后，通過(guò)夾持工藝分裝盤(pán)的工藝夾柱(如圖2所示)，將工藝分裝盤(pán)裝起，然后旋轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)運(yùn)工作區(qū)，將工藝分裝盤(pán)放置于車間主流水工作線，即完成當(dāng)前分裝工作流程。

　　(8)自動(dòng)線運(yùn)行期間，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分裝工作流程循環(huán)工作，直至柱形垂直供料倉(cāng)11無(wú)料停止工作或人工停止系統(tǒng)工作。

3 自動(dòng)線的主要外圍硬件設(shè)計(jì)

　　本部分主要介紹自動(dòng)線主要硬件結(jié)構(gòu)五自由度機(jī)械手和氣動(dòng)控制回路和變頻控制等。

　　3.1 五自由度機(jī)械手

　　五自由度機(jī)械手的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含氣動(dòng)機(jī)械手抓耵松放、正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)、前進(jìn)／后退、上升／下降、基座正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。其各運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)具體如下：

圖4五自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)

　　(1)機(jī)械手抓影松放通過(guò)一個(gè)二位三通氣閥驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手指進(jìn)行抓緊和放松，其氣動(dòng)工作原理如圖5所示；

圖5機(jī)械手抓／取自動(dòng)控制原理圖

　　(2)機(jī)械手的正反轉(zhuǎn)通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)機(jī)械手正向、反向旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)行程控制，其控制電路如圖6所示；

圖6機(jī)械手正反轉(zhuǎn)控制電路

　　(3)機(jī)械手的前進(jìn)／后退通過(guò)機(jī)械手水平位移步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水平位移滾珠絲桿副實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)機(jī)械手前進(jìn)、后退限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)水平位移行程保護(hù)控制，其控制電路如圖7所示；

圖7步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路

　　(4)機(jī)械手的上升／下降通過(guò)機(jī)械手垂直位移步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)垂直位移滾珠絲桿副實(shí)現(xiàn)；并通過(guò)機(jī)械手上升、下降限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)垂直位移行程保護(hù)控制，其控制電路與圖7一致：

　　(5)機(jī)械手基座的正／反轉(zhuǎn)通過(guò)基座旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)基座旋轉(zhuǎn)角度的精確定位，通過(guò)基座正／反轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)基座旋轉(zhuǎn)行程保護(hù)控制，其控制電路與圖6一致。

　　3.2 氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

　　本自動(dòng)線氣動(dòng)元件主要是氣動(dòng)機(jī)械手(氣爪)、工件送料氣缸和次品推料氣缸及相應(yīng)的電磁閥構(gòu)成。其控制原理圖如圖8所示。

圖8自動(dòng)線氣動(dòng)控制原理圖

　　3.3 變頻傳送設(shè)計(jì)

　　輸送的傳動(dòng)控制主要由PLC控制變頻器的啟停來(lái)驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和停止來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器選用三菱E700系列變頻器，控制要求只有啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)和停止功能，控制功能較為簡(jiǎn)單，故不做詳細(xì)介紹。

4 自動(dòng)線的PLC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

　　本自動(dòng)線采用PLC作為中央控制器，要求完成對(duì)氣壓傳動(dòng)、機(jī)械手五自由度運(yùn)動(dòng)、變頻傳送、分揀分裝等工作的控制要求，其控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)主要包括I／O分配和程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

　　4.1 I／O地址分配

　　本系統(tǒng)PLC需要處理的控制量主要包括各種數(shù)字量信號(hào)的輸入、傳感器信號(hào)的處理、氣動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)、變頻器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)等，根據(jù)自動(dòng)線的外圍硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，PLC的I／0地址分配如表1所示。

　　根據(jù)表1，選用三菱FX 3U 48MT型PLC，其控制電路原理圖如圖9所示。

圖8自動(dòng)線氣動(dòng)控制原理圖

　　4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

　　本自動(dòng)線的PLC程序主要包括復(fù)位、啟動(dòng)和停止3個(gè)控制功能，要求設(shè)備每次開(kāi)機(jī)后，必須先執(zhí)行復(fù)位功能，然后才能執(zhí)行啟動(dòng)功能；為了保證安全，停止功能具有最高優(yōu)先級(jí)，一旦啟動(dòng)停止功能，設(shè)備必須執(zhí)行停止運(yùn)行。程序整體采用模塊化編程和STL順序控制思路進(jìn)行編制，其中機(jī)械手的水平和垂直位移采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確定位，故在具體編程時(shí)采用了絕對(duì)位控指令(D)DRVA進(jìn)行編程。具體設(shè)計(jì)如下：

　　(1)復(fù)位功能。設(shè)計(jì)復(fù)位功能是為了保證設(shè)備的各執(zhí)行元件和機(jī)械手的位置處于一個(gè)設(shè)定好的動(dòng)作狀態(tài)，以確認(rèn)系統(tǒng)各功能模塊正常，做好準(zhǔn)備等待系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確工作。本自動(dòng)線的復(fù)位功能主要是要使機(jī)械手五自由度機(jī)械手各自由度運(yùn)動(dòng)歸零(即設(shè)定的初始位置)，各氣缸處于縮回狀態(tài)。

　　(2)啟動(dòng)功能。啟動(dòng)功能必須在復(fù)位功能完成后，才能正式啟動(dòng)自動(dòng)線設(shè)備。其設(shè)計(jì)思路是以取料臺(tái)是否有工件構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)的條件，并聯(lián)分成兩條控制線進(jìn)行運(yùn)行，一條為控制氣動(dòng)送料和變頻傳送機(jī)構(gòu)向取料臺(tái)供料，另一條為控制機(jī)械手從取料臺(tái)取料分裝。程序編制的難點(diǎn)在于為了使程序瘦身，需要在機(jī)械手分裝環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置取料工作循環(huán)。

　　(3)停止功能。為了保證安全，停止功能具有最高優(yōu)先級(jí)，一旦啟動(dòng)停止功能，為保證安全，除機(jī)械手的加緊或松開(kāi)狀態(tài)保持不變外，設(shè)備其他動(dòng)作必須停止運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本自動(dòng)線應(yīng)用氣動(dòng)技術(shù)、變頻傳送、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，以三菱PLC為中央控制器，進(jìn)行了機(jī)械手分裝自動(dòng)線的開(kāi)發(fā)，設(shè)備經(jīng)企業(yè)實(shí)際檢驗(yàn)，可用于模具導(dǎo)套、導(dǎo)柱、彈簧、模板等模具標(biāo)準(zhǔn)件的分裝工作，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工分裝方式，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，為企業(yè)節(jié)省了人工，并且生產(chǎn)效率提升一倍以上，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。