0 引言

　　随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人的劳动强度的同时，大大提高了劳动生产率。但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。为解决以上问题，我们研究开发了一套采用可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统。该系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。

1 系统工作原理

　　如图1所示，本系统的上下料机械手采用关节式整体结构，具有结构紧凑、运动平稳的特点，可以方便地实现无级调速。该装置抓取工件质量可达40～50kg，工作范围为横向1.2m、纵向0.8m。

图1 机械手的机械结构简图

　　系统启动时，首先进行自检，若设备正常，则机结束信号传来时，机械手开始动作，其具体动作过程如下：原始位置→小手臂伸出→手指夹紧(抓住卡盘上的工件)经短时延时一手腕向左逆摆(从卡盘上卸下工件)→大臂旋转180°→小手臂伸出(上料)→开关发出料到位信号→手指松开(放料)→小手臂缩回→小手臂上摆(同时卡盘夹紧工件，机床开始加工)→大手臂下摆→手指松开(将工件放在料架上)→小手臂缩回→大臂旋转180°同时料架转位(转60°)→小手臂伸出→手指夹紧(抓住待加工的工件)→大手臂上摆(从料架上取走工件)→小手臂水平待料，系统原位卸荷。

2 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，其结构框图如图2所示。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)。

图2机械手的系统结构图

　　驱动系统采用全液压驱动，该系统能实现机械手的自动运行、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伸缩臂的动作精度、需承受大负载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、手部夹持机构、定位机构等组成，整体为圆柱关节式结构。与传统的上下料机械手不同的是：该系统采用了具有双夹持结构的手臂设计(图1)，在其中一夹持机构卸料后，手臂旋转一定角度，另一夹持机构上料，在两次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。

3 系统软硬件设计

　　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、控制液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、液压驱动系统、PLC控制系统组成，软件系统主要通过PLC的编程实现。

　　3.1 液压驱动系统

　　液压系统原理图如图3所示，在该系统中，为防止各种干扰影响手指抓取工件，故采用双泵供油；手部的夹紧和松开动作的控制，是由双作用式活塞缸配合凸轮和连杆机构组合驱动，实现卡爪的圆弧开合；手腕、小手臂、大手臂的摆动则是由摆动液压马达实现，手腕、小手臂可在相互垂直的两平面内摆动，大手臂可正反旋转180°；为防止突然断电时手指松开和大、小臂倒下来，在手指夹紧油缸和大、小臂油缸的控制回路中采用液控单向阀，并在液压回路中配置限位开关、压力继电器和位置传感器来实现动作的换接控制。同时还设置急停、复位。

图3液压系统图

　　3.2 PLC控制系统

　　根据系统控制信号的数量，本系统选用三菱FxON-60MR-D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，主程序流程图如图4所示，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，否则默认执行连动程序。

图4 PLC主程序流程图

　　PLC的自动控制程序的编写方法很多，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，即使出现误动作也不会造成混乱，图5即为机械手动作过程控制的梯形图。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。

图5机械手动作过程控制梯形图

　　为避免因压力不足或机械手动作不到位造成的误动作，系统设置了延时报警系统，如图6所示。

图6延时报警系统梯形图

　　当某一液压缸因故障被卡超过设定时限，延时报警系统将动作:设YS为控制该缸动作的继电器，XS为对应动作的限位，若该动作超时，对应的时间继电器T4将动作，则T4的动合触点接通，首先接图6延时报警系统梯形图通Y18，切断电源，停机。因故障排除按钮为动作，内部继电器RO未导通，则Y16接通，与之相连的报警蜂鸣器通电发声报警，与此同时，8901 C导通后周期性地通断，通过已接通的功导通Y17，使与之相连的报警指不灯不停闪烁，提醒工人排除故障，从而避免故障加重造成损失。一旦按下故障排除按钮，X14接通，内部继电器导通，其通断触电打开，蜂鸣器停止报警，报警灯熄灭。

4 结束语

　　本系统采用PLC对数控机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。经调试检验，该系统运行符合程序设计要求，具有良好的协调运行性能。