自动生产线精确传输机械手控制系统设计

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在现代化工业生产中，自动化程度越来越高，气动机械手以控制灵活、性能可靠等优点在生产线上的应用也越来越广泛。在-般 自动化生产线中，工件的传送主要是依靠传送带或传送链等装置来实现。工件传到工作台的位置时，要采用合适的定位拈，使工件有较准确的定位，以保证该工件的加工精度。但是对于多工位加工的自动化生产线，定位拈多，-套工序下来加工的工时增加，同时也增加了设备的成本。本文待加工零件的规格为 80 mm×30 mm×6 mm的小型零件，若使用传送带或传送链来传送工件增加了设备投入成本。为了节约加工成本 ，提高生产效率，设计-带定位机构的机械手，在可靠性和灵活性的前提下，使机械手做到既能传输工件，又能实现工件的定位操作。

1 系统的结构设计与原理1.1 机械结构设计该机械手传输的被加工工件如图 1所示，主要机加工工序为上表面铣槽和圆弧，侧面、正面多位置钻孔和攻丝等。该传输机械手的总体结构设计简图如图2所示。其作用是将上-nmm位的工件传送到下-工位，并在下-工位处由机械手使工件定位。让机械手来完成工件传送和定位的功能。具体动作如下：(1)水平伸缩气缸 主要负责机械手的伸臂与收臂，设有两个位置开关来控制伸、缩臂的行程。

图I 被加工工件图1.水平伸缩气缸 2.上下升降气缸 3.电磁铁吸抓以及放大剖面4.立柱支架 5.基座小车图2 精确定位气动机械手结构简图设有3个位置开关，上方 1个，下方 2个，上方的是限制气缸上升极限位置，下方第-个是气缸快速下降时极限位置限制开关 ，第二个是接近工件时慢速极限位置限制开关。该升降气缸设置为45∏，主要是因为收稿 日期 ：2012-07-31基金项 目：广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题基金(桂科能10-046-07003，09-007-05012)资助；广西教育厅科研立项项目(201 106LX176)资助作者简介 ：李海标(1964-)，男 ，广西桂林人，副教授，本科，主要从事机械电子工程、电气工程及自动化专业的教学与科研工作。

18 液压与气动 2013年第2期生产线上有-主轴为倾斜45∏来加工工件的。为防止机械手和主轴干涉，故将升降气缸设计成 45∏。

(3)电磁铁吸抓 它主要分为两部分，中间的电磁铁和侧面两个弹性推杆。抓取工件时电磁铁吸住工件前推杆在工件的反作用力下，向右压缩弹簧，当电磁铁紧贴着工件时电磁铁得电，紧紧地吸住工件，同时推杆得到-定的弹性势能，实现机械手抓工件的动作。

放置工件时，当工件被机械手放到另-个工作台上时，电磁铁失电，经过退磁处理后，推杆在原来压缩的弹簧中获得动力，在机械手缓慢抬升的过程中将工件向左推向机加工位置处，碰到定位挡块停止，然后被工作台的电磁铁吸住，实现工件的定位。

(4)立柱支架 主要是支撑机械手的气缸等，同时固定水平气缸的作用。

(5)基座小车 内置小车，小车由交流电机驱动，负责机械手沿T行直线导轨运动，实现机械手将工件从-个工作站传送到另-个工作站。

1.升降气缸 2.伸缩气缸 3～8.单向节流 阀 9.双 电控三位五通 阀10～11.双电控二位五通阀 12.调压过滤器图3 机械手电气控制原理图气缸 1是升降气缸，由电磁阀9和电磁阀1O来控制，9和 10同时供气时气缸快速动作，当 1Y2和 2Y2得电时气缸 1快速下降，当碰到快速限位行程开关时，1Y2失电电磁阀9处于中间位置气缸 1由10阀供气，运动速度由快到慢，当碰到慢速限位开关时 1O阀停止供气，当机械手接到上升的信号后，阀10的2Y1得电气缸慢慢上升，当到快速限位开关的位置时阀 9的1Y1得电气缸快速上升。到达上限位行程开关后，气缸停止运动。气缸2是控制机械手的伸缩动作，由二位五通阀来和合适的限位开关来实现控制。

2 机械手的动作顺序在本生产线中，该机械手的动作是和机床联合工作的，机床加工完工件后对机械手发出-动作信号，机械手开始完成-连串的动作。即将工件从-个工作台上搬运到另-个工作台上进行加工，实现工件在T作台之间的传输。通过机械手和机床信号的相互交换来实现生产线上工件传输自动化，从而实现生产线的自动化。系统由PLC来控制完成。

该机械手主要操作方式有三种即手动、自动和联机，手动主要用来调试机械手的位置，使机械手准确地抓取工件和放置工件。自动挡的目的是对调试中的机械手进行无联机的空操作，观察机械手调试是否到位。

联机主要是让机械手和机床互通信号(由 PLC来完成)实现 自动控制。据上所述机械手的动作流程如图 4所示复位小车回原点小车启动驶向加工位伸缩气缸伸出升降气缸下降吸抓电磁铁吸住工件升降气缸上升伸缩气缸缩回小车驶向下-个工位2伸缩气缸伸出t升降气缸下降吸抓电磁铁失电放下工件升降气缸上升伸缩气缸缩回小车回原点取工件动作流程 放工件动作流程图 4 机械手动作流程图3 PLC控制系统的设计根据该控制系统的功能要求和系统控制信号的数量，该系统采用 FX2N48MR型可编程控制器。根据实际控制要求现将I/O口的分配如下。

3.2 机械手控制软件设计根据机械手的动作顺序要求，编程控制设计如下：当按下复位键后小车回到原点(两工作站的中点)位置，并且伸缩气缸缩回，升降气缸回升，电磁铁处于失电状态。按下启动按键后，继电器 2Y1得电，小车在电机的带动下从原点左行到1号工作站，碰到限位开关后停止，同时小车四轮被抱紧刹车防止小车移动；然后电磁阀3Y1上电，此时机械手开始伸臂，当伸到极限限位处停止；升降气缸开始动作，此时电磁阀 1Y1打开，机械手较快的下降，当碰到第-个限位开关时，1Y1关闭，这时2Y1升降气缸缓慢下降，直到碰到第二个限位开关，升降气缸便停止运动；延时rID即2 S后2013年第2期 液压与气动 19表 1 机械手系统与 PLC的UO分配表输入 输出PLC PLC 电磁换向阀输入 传感器 输出编号 编号 与继电器Ⅺ)o SB1(启动按钮) Y0o 回原点指示灯X01 SB2(停止按钮) Y10 启动指示灯SA1选择开关(手动 X02 Y02 联机指示灯/自动)X03 SA2选择开关(联机) YO3 报警指示灯Xo4 SQ1(小车原点限位 ) Y11 3Y1(伸出电磁阀)X05 SQ2(小车左限位) Y12 3Y2(缩回电磁阀)XO6 SQ3(小车右限位) Y13 1YI(下降电磁阀1)快速Xll SQ4(伸缩气缸伸出限位) Y14 2Y1(下降电磁阀2)慢速X12 SQ5(伸缩气缸缩回限位) Y15 1Y2(上升电磁阀1)快速X13 SQ6(升降气缸下降限位1) Y15 2Y2(上升电磁阀2)慢速X14 SQ7(升降气缸下降限位2) Y21 电磁铁控制继电器X15 SQ8(升降气缸上升限位1) Y22 电磁铁消磁继电器X16 SQ9(升降气缸上升限位 2) Y23 小车左行继电器X21 NIl(电磁铁检测传感器) Y24 小车右行继电器X22 复位开关给机械手电磁上电，让电磁铁吸住工件，然后升降气缸开始上升，2Y2电磁阀启动由Y16输出控制，开始慢速上升，碰到慢速限位开关时断开，这时由 Y15控制的 1Y2继电器打开使气缸快速上升 碰到上升极限限位开关时停止；之后伸缩气缸也开始缩回，当伸缩气缸到位后小车开始动作，将工件运向2号工作站，遇到限位开关停止。此时重复机械手取工件的动作，将工件送到工作台上时电磁铁才能断电，经过消磁线圈工作后，电磁铁旁的-弹性推杆将工件推向加工位，之后机床电磁铁夹具得电机械手开始回升、缩回。之后小车回原点等待下次取工件信号。这就是机械手的-次取工件的顺序动作。当按下联机按键后机械手启动信号就是 1号工作站的主轴上升到最上极限限位开关处的信号。

根据机械手顺序分析，该工作过程是典型的步进动作，主要由单序列构成，为了方便采用步进指令来实现顺序循环控制。其中的部分梯形图程序编写如图5所示，其中X03表示联机后工作站 1主轴位置信号。

图5 机械手动作的部分步进指令梯形图4 结论该机械手原理结构简单，性能可靠，能实现手动和联机自动的功能。在 PLC的控制下能够比较准确地将工件放到加工位而且能使工件在机械手的动作中实现定位，省去了机床部分定位机构，减少了生产线的整体加工时间，提高了零件的生产效率。