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摘 要：本文以数控车床的上下料机械手臂为研究对象，采用可编程控制器（PLC）对其气压的驱动装置进行电气控制，实现了系统的智能化和柔性化。对系统的工作原理及机械结构、气压驱动和PLC控制方案等方面进行了较为详尽的论述。 

　　关键词：自动化上下装料； PLC； 气压系统 

　　随着现代工业自动化的发展，出现了各种数控加工中心，它在减轻工人劳动强度的同时，大大提高了劳动生产率。但以往数控加工中常见的上下料工序，通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率比较低；后者因设计复杂，需较多继电器，接线繁杂，易受车体振动干扰，而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。为解决这些问题，我们研究开发了一套采用可编程序控制器PLC控制的装料机械控制系统。该系统动作简单可靠、线路设计实用合理、具有极强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，并提高了工作效率。 

　　一、系统工作原理 

　　本系统的上下料机械手采用料斗，搬运和上下料组件的整体结构，这种料斗可通过调节通道尺寸变动料件的规格，具有结构紧凑、运动平稳准确的特点，可以方便地实现无级调速。本设备抓取工件质量可达1kg，工作范围为横向1m，纵向0.9m，并且可以调节距离范围。 

　　系统开机启动时，先进行自检，若机器正常，则机械手处于待料位置，泵站电机处于卸荷状态。当加工开始信号传来时，机械手臂开始动作，其具体行动过程如下：原始位置→机械臂伸出→开关发出料到位信号→真空吸盘松开（放料）→尾架合拢（同时卡盘夹紧工件，机床开始加工）→托爪退出→送料架升起→托爪复位→加工结束（主轴动力脱开，刹车进入）→机械手进入取工件→机械手真空吸盘吸住工件→尾架刹车退出→机械手将工件拔出→机械手将工件取出→机械手把工件搬运到下一工位→机械手真空吸盘松开工件→机械手复位，系统原位卸荷。[1] 

　　二、系统结构组成 

　　机械手的整个系统主要由控制系统、驱动系统和执行系统三部分组成。 

　　控制系统主要包括：位置检测装置、可编程控制器、主控柜及主控面板（状态显示和操作按钮）。驱动系统采用全气压驱动，该系统可以实现机械上下料的自动运行、手动调节，同时保证了整机动作迅速、平稳，特别是满足了机械手的动作位置精度、需承受大负载强度及运动性能等方面的特殊要求。 

　　执行系统由升降机构、回转机构、手臂伸缩机构、吸盘夹持机构、定位机构等组成，整体为摆动关节结构。与传统的上下料机械手不同的是：该系统采用了具有两个夹持结构的手臂设计，一个负责上料，一个负责下料，在其中一夹持机构卸料后，另一夹持机构搬运工件至下一个工位，在上下料之间机械手臂往返各一次，与传统的往返各两次比较更加节省时间，效率更高。 

　　三、系统软硬件的设计 

　　整个机械手的控制，是通过向系统提供符合要求的开关信号来实现的。具体地讲，就是按机械手的动作要求，PLC通过信号采集、控制气压系统的电磁换向阀的通断电，实现装置的自动或手动上下料。系统的硬件主要由机械本体、气压驱动系统、PLC控制系统组成，软件系统主要通过PLC的编程实现。 

　　（一）气压驱动系统 

　　在该系统中，为防止各种干扰影响手指抓取工件，故采用双泵供气；手部的夹紧和松开动作的控制，是由真空吸盘配合凸轮和连杆机构组合驱动，实现工件的吸放；机械臂的摆动和移动则是由气缸配合齿轮实现，上料两个手臂可在相互垂直的两平面内摆动，下料手臂可以旋转180°；为防止突然断电时手指松开和大、小臂晃动，在真空吸盘气缸和手臂气缸的控制回路中采用气控单向阀，并在气压回路中配置限位开关、压力继电器和光栅位置传感器来实现动作的换接控制。同时还设置急停、复位按钮，以及防干扰的互锁、故障报警等装置。 

　　（二）PLC控制系统 

　　1.PLC程序在设计时的大致步骤 

　　（1）如果选择的PLC自身具有程序，需要细致的掌握程序所具有的功能，还有对于现有具体的满足程度以及可修改性，最好选用PLC自身具有的程序。 

　　（2）把全部和PLC有关的出入信号以及输出信号分别进行列表，并且根据PLC内部接口的具体范围，提供给每个信号一个相对确定的标号。 

　　（3）对生产的工艺以及设备对于控制系统具体的要求进行细致的了解，画出系统中每个功能过程具体的流程图或者是工作的循环图以及功能图等等。 

　　（4）依据PLC程序语言的具体要求，对梯形图或者编写的程序清单进行设计。梯形图的上文符号需要按照现场的信号和PLC内部的接口对照表相关规定进行标注。 

　　2.PLC程序在设计上的基本原则 

　　（1）设计必须确保人身以及设备的安全。 

　　（2）设计应当在确保操作人员以及设备安全的基础上完成的。 

　　（3）PLC程序进行安全的设计，这并不能够代表其在硬件的相关安全保护能够省略。 

　　（4）PLC程序进行安全的设计，知识在软件上给予了保护的功能，为防止软件的工程异常以及在调试过程中因编写错误而导致的事故，还应当在硬件内设计一个保护的功能。 

　　（5）掌握PLC本身的特点。厂家不同，所设计的PLC的特点也有着差异，在具体的使用当中也会存在不同之处，所以要充分的掌握PLC本身具有的特点，方能正确的使用并且发挥出PLC应该具备的能力。 

　　（6）设计好调试点以便调试。对于PLC程序进行的设计通常不是一次就能够完成的，往往要通过分步进行反复的调试以及实验。所以，在PLC程序的设计过程中，和普通的软件设计一样，要通过中间的寄存器设计相关的跟踪标记以及断点，这样便于调试。 

　　3.数控车床PLC系统的调试

　　（1）输入的程序。依据不同的型号，PLC拥有很多种程序的输入方法，比如，通过数控系统进行输入，在PLC进行本地的输入，通过外部的专用编程器进行输入。 

　　（2）对电器的线路进行检查。一旦电气在线路上的安装出现错误，不但会对PLC程序调试的进度产生巨大的影响，并且很有可能会对元器件造成损害。所以，进行调试之前要细心的检查系统中的电气线路，尤其是电源。 

　　（3）进行模拟调试。PLC处于数控系统和机床电器两者之间，起到了承上启下的过渡作用，一旦PLC的指令出现错误，就算电器的线路没有出现错误，也很有可能导致事故，造成设备的损坏。 

　　（4）进行运行的调试。接通相关功率器件的动力，比如电动机以及它的驱动器强电以及气压等等，根据具体运行的要求进行调试，进行运行调试的过程中，要注意机械和电气之间的有效配合。 

　　（5）非常规的调试，对安全保护以及报警功能进行验证，在主轴的运行过程中，按下刀具松按钮，注意PLC设计的相关保护的功能是不是有效。另外，在运行当中接入各个单元的报警信号，主要PLC程序是不是可以比较正确的报警，并且保护好相对应的单元。[2] 

　　4.本车床PLC控制系统。根据系统控制信号的数量，本系统选用三菱FX型可编程控制器。该PLC自带编程器，能实现离线及在线编程，还可以结合实际的工程要求，调整控制程序，实现机械手的不同动作，实现了柔性化设计。 

　　该机械手在PLC控制下可实现手动、连续动作两种工作方式，手动方式是指利用按钮对机械手每步动作单独进行控制，连动方式是指机械手根据控制信号自动循环执行每步动作，直至收到停止信号。系统启动后，根据工序要求，通过旋转按钮确定机械手的工作方式，如果选择单动则执行手动程序，否则默认执行连续程序。PLC的自动控制程序的编写方法有很多种，根据本次设计中机械手的特点，要求每一个动作严格按顺序执行，因此采用步进指令编写，可保证机械手的运行有条不紊，即便出现误动作，也不会造成混乱，其动作执行过程如下：系统启动，机械手处于待料状态，获得取料信号后机械手开始动作，从原点出发按工序自动循环工作，直到收到停止信号，机械手在完成最后一个周期的工作后返回原点，自动停机。[3] 

　　四、结束语 

　　本系统采用PLC对数控车床上下料机械手进行控制，实现了手动、连动、互锁、状态显示、延时报警等功能，具有较强的抗干扰能力和良好的可靠性。 

　　参考文献： 

　　[1]张波等.多功能上下料用机械手液压系统[J]液压与气动，2002（2）：31～32 

　　[2]吴玉香，周东霞，林锦赟.嵌入式软PLC系统的研究和实现[J]计算机工程，2009，35（10） 

　　[3]朱春波等.PLC控制的气动上下料机械手[J]液压气动与密封，1999，78（6）：21～24