CNC多工位自動(dòng)上卸料機(jī)械臂設(shè)計(jì)

侯 勇，毛潤華，何獻(xiàn)章，張曉宇，李金桐

HOU Yong,MAO Run-hua,HE Xian-zhang,ZHANG Xiao-yu,LI Jin-tong

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

0 引言

機(jī)械臂在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中擔(dān)任著重要角色，其功能是協(xié)同其他設(shè)備完成工件不同工藝之間的傳遞和機(jī)床的自動(dòng)上卸料。傳統(tǒng)的機(jī)械臂常采用一工位一機(jī)械臂配置，這樣機(jī)床在加工時(shí)，機(jī)械臂會(huì)處于等待狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。而且，傳統(tǒng)機(jī)械臂的控制通常是利用繼電器、計(jì)時(shí)器、接觸器等控制器件來實(shí)現(xiàn)的，存在著控制精度不高、效率低下、穩(wěn)定性差、智能性不高、實(shí)時(shí)控制困難等缺陷。

本文設(shè)計(jì)了一種多工位高效自動(dòng)上卸料機(jī)械臂，采用一機(jī)械臂多工位的模式，以較少的資源達(dá)到較高的效率。系統(tǒng)以機(jī)械臂PLC為主站，利用DeviceNet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與從站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，從而完成對機(jī)械臂運(yùn)行狀態(tài)和位置進(jìn)行綜合控制，同時(shí)對各個(gè)從站的工作狀態(tài)反饋回主站，確保整個(gè)機(jī)械臂生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)、高效和穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械臂生產(chǎn)線布局

如圖1所示，本文自動(dòng)上卸料生產(chǎn)線的主體結(jié)構(gòu)布局示意圖以四工位為例，由機(jī)床、上料器、下料器、中間傳遞和機(jī)械臂組成。生產(chǎn)線中，機(jī)床1和機(jī)床2對放，機(jī)床3和機(jī)床4對放，布局上更加緊湊和節(jié)約場地，使機(jī)械臂和機(jī)床之間更加快速高效地自動(dòng)上卸料。

1.2 生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)布局

圖1 生產(chǎn)線布局示意圖

DeviceNet是一種基于CAN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)解決方案，具有開放的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，而且結(jié)構(gòu)簡單成本較低，傳輸率為125Kbit/s至500Kbit/s，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為64個(gè)，位于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自由連接或斷開，而不會(huì)影響網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常工作，在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用[1～3]。

為了保障生產(chǎn)線上各臺(tái)設(shè)備在機(jī)械臂統(tǒng)一控制下協(xié)調(diào)工作，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)多工位上卸料，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)選用臺(tái)達(dá)系列工控產(chǎn)品搭建，網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖2所示。其中，以機(jī)械臂PLC（DVP28SV11T2）和DVPDNET-SL為主站（站號(hào)00）；上料器1、下料器1、工件傳遞1和RTU-DNET為從站1（站號(hào)01）；上料器2、下料器2、工件傳遞2和RTU-DNET為從站2（站號(hào)02）。

1.3 機(jī)械臂工作流程

圖2 生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)示意圖

機(jī)床1、機(jī)床2、上料1、下料1、工件傳遞1和機(jī)械臂完成一個(gè)加工流程，工作流程如下：機(jī)械臂在機(jī)床1等待，當(dāng)機(jī)床1加工完成，機(jī)械臂從機(jī)床1取下加工好的工件，移放到工件傳遞1上，接著到上料1夾取工件放到機(jī)床1，然后到機(jī)床2處等待，當(dāng)機(jī)床2加工完成后，取下機(jī)床2的加工件放到下料1，最后從工件傳遞1上夾取工件到機(jī)床2，完成一個(gè)零件的加工。機(jī)床3、機(jī)床4、上料2、下料2、工件傳遞2和機(jī)械臂完成另一個(gè)零件加工流程，流程同上。

2 機(jī)械臂組成與控制要求

2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

多工位自動(dòng)上卸料機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)伺服電機(jī)作為動(dòng)力，以齒輪帶動(dòng)齒條傳動(dòng)機(jī)械臂的幾個(gè)軸往返移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在多工位之間平穩(wěn)、精確地移動(dòng)。

本文的機(jī)械臂采用了四軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的3D示意圖。其中，X軸和Z軸分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的左右和上下移動(dòng)，Y1軸和Y2軸實(shí)現(xiàn)縱向前后伸縮；Y1、Y2軸上配有氣動(dòng)手爪通過前后伸縮，結(jié)合X軸和Z軸左右和上下移動(dòng)，來夾取工件，配合機(jī)床、上下料器和傳遞機(jī)構(gòu)完成生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖3 機(jī)械臂3D圖

2.2 機(jī)械臂控制要求

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂多工位和高效自動(dòng)上卸料的工作目的，以及分析機(jī)械臂和中間工藝變換裝置之間的工作過程，對機(jī)械臂的控制提出如下要求：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂的整體（Z）上下移動(dòng)和位置保持；

2）機(jī)械臂的左右移動(dòng)（X）和Y1、Y2軸的前后伸縮；

3）機(jī)械臂能夠多軸聯(lián)動(dòng)；

4）能夠人為設(shè)定X、Y1、Y2、Z原點(diǎn)位置，且電機(jī)位置不因斷電而遺失；

5）X、Y1、Y2、Z軸有正反行程極限位置保護(hù)；

6）主站與各從站之間能實(shí)時(shí)通信；

7）能實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂關(guān)鍵參數(shù)，部分參數(shù)能作相應(yīng)的修改。

3 機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的組成

電氣設(shè)備控制系統(tǒng)中，中央控制單元是至關(guān)重要的，通過上述的系統(tǒng)控制要求分析，本文選用了抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器PLC為控制核心，設(shè)計(jì)了多工位自動(dòng)上卸料機(jī)械臂的控制系統(tǒng)[4～6]。

機(jī)械臂控制系統(tǒng)主要由以下模塊組成：PLC控制器、通信模塊、伺服控制器、伺服電機(jī)、I/O接線端子、信號(hào)傳送線纜、按鈕開關(guān)、傳感器和人機(jī)界面等。

主站控制器（PLC）與從站控制器通過通信模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，發(fā)出控制信號(hào)，控制電磁閥和伺服驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使機(jī)械臂在多工位之間按預(yù)定程序運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過相應(yīng)的傳感器的反饋信號(hào)監(jiān)測和判斷機(jī)械臂的運(yùn)行情況，并通過信號(hào)燈和人機(jī)界面顯示給用戶。

3.2 I/O點(diǎn)及分配

根據(jù)對控制系統(tǒng)的功能分析，機(jī)械臂PLC的I/O點(diǎn)位分配如表1所示。

3.3 控制系統(tǒng)主要器件選型

基于以上I/O分配表點(diǎn)位圖和對設(shè)備功能擴(kuò)充升級的考慮，預(yù)留出20%的備用I/O口，主機(jī)選擇便于擴(kuò)展的臺(tái)達(dá)DVP28SV11T2（輸入16點(diǎn)、輸出12點(diǎn)），輸入擴(kuò)展模塊選擇臺(tái)達(dá)DVP16SM11N（16點(diǎn)），輸出擴(kuò)展模塊選擇臺(tái)達(dá)DVP16SN11T（16點(diǎn)）。

要使機(jī)械臂能夠在多個(gè)工位之間自動(dòng)上卸料，主站（機(jī)械臂）與從站（上下料器和中間傳遞）之間的實(shí)時(shí)通信是關(guān)鍵所在，通信模塊選擇臺(tái)達(dá)DVPDNET-SL和RTU-DNET與PLC組成DeviceNet通信網(wǎng)絡(luò)。

為了達(dá)到更高的可控性和智能性，加入人機(jī)交互，人機(jī)界面選擇臺(tái)達(dá)DOP-B10S411。

表1 機(jī)械臂I/O點(diǎn)分配表

機(jī)械臂的位置精度是靠電機(jī)來實(shí)現(xiàn)和決定的，根據(jù)設(shè)計(jì)中提出的控制要求，選擇有全閉環(huán)和絕對值編程的電機(jī)和伺服編碼器（能夠人為設(shè)定X、Y1、Y2、Z原點(diǎn)位置，且電機(jī)位置不因斷電而遺失），伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)型號(hào)為臺(tái)達(dá)ASD-A2-0421-LN/ECMC-CW0604RS(Y1)、臺(tái)達(dá)ASD-A2-0421-LN/ECMC-CW0604RS(Y2)、臺(tái)達(dá)ASD-A2-0721-LN/ECMC-CW0807RS(X)、臺(tái)達(dá)ASD-A2-0721-LN/ECMCCW080SS（Z軸帶抱閘，位置保持）。

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)[7]是控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)生產(chǎn)流程和工藝要求，系統(tǒng)控制程序分為手動(dòng)程序、自動(dòng)程序。并且，為了提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性還需加入相應(yīng)的互鎖、自鎖和報(bào)警程序。在要求平穩(wěn)度和定位精度高的環(huán)節(jié)加上適當(dāng)延時(shí)以提高設(shè)備的穩(wěn)定性；為了提高設(shè)備的可操作性和智能性，對各個(gè)位置的傳感器進(jìn)行邏輯處理，對不符合加工要求的情況給出相應(yīng)的報(bào)警信息，對緊急報(bào)警進(jìn)行停機(jī)處理，而對較緩和的報(bào)警，在執(zhí)行完當(dāng)前動(dòng)作后暫停等待，等問題處理完以后可繼續(xù)運(yùn)行。

以機(jī)床1（一工程）和機(jī)床2（二工程）為例，其程序流程如圖4所示，機(jī)床3和機(jī)床4程序流程同機(jī)床1和機(jī)床2相同。

圖4 程序流程圖

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面采用臺(tái)達(dá)DOPSoft 2.00.07.02軟件開發(fā)。為使設(shè)備具有實(shí)時(shí)可控性和智能性，人機(jī)交互界面設(shè)有手動(dòng)操作（便于檢修和調(diào)試）、自動(dòng)操作、報(bào)警信息、傳感器狀態(tài)燈、伺服電機(jī)當(dāng)前位置和參數(shù)設(shè)定等功能和信息模塊，更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和信息顯示。圖5為觸摸屏手動(dòng)界面、自動(dòng)界面和參數(shù)設(shè)定界面。

5 結(jié)語

圖5 觸摸屏界面

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的搭建，能實(shí)現(xiàn)主站（機(jī)械臂）和各從站之間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，該網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械臂自動(dòng)上卸料生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用，有效地解決傳統(tǒng)機(jī)械臂效率低、控制實(shí)時(shí)性較差和應(yīng)用于多工位困難的問題。機(jī)械臂控制系統(tǒng)通過對伺服電機(jī)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂平移運(yùn)動(dòng)和多軸聯(lián)動(dòng)的精確位置控制，配合傳感器和其他裝置，實(shí)現(xiàn)了多工位的自動(dòng)高效上卸料。通過觸摸屏的人機(jī)交互，能夠方便地修改參數(shù)和了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，體現(xiàn)了設(shè)備的智能性和實(shí)時(shí)可控性。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)表明，自動(dòng)上卸料機(jī)械臂采用多工位的工作模式，能夠提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)過程的安全性、可控性和智能性，具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖6 現(xiàn)場運(yùn)行圖