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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。 |
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