張金姣，吳斌方，王君明

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

泡沫塑料有良好的減震性，有的具有高回彈性，常用于床墊、沙發(fā)坐墊、汽車座椅等方面。經(jīng)填充、增強(qiáng)等改性的泡沫塑料質(zhì)輕而耐高溫，因而用于航天設(shè)備中。本文以某汽車座椅用合綿（一種軟質(zhì)泡沫塑料）生產(chǎn)流水線上的成型模具為對(duì)象，闡述具有2個(gè)自由度的模具清掃機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

1 控制要求

該汽車座椅用合綿生產(chǎn)流水線共有30臺(tái)以一定速度運(yùn)行的小車（圖1），一次最多可以容納30種不同汽車座椅用合綿成型模具。要求清掃機(jī)械手能夠自動(dòng)根據(jù)模具的形狀和尺寸調(diào)節(jié)動(dòng)作幅度與順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具型腔內(nèi)部的清掃工作；清掃機(jī)械手采用觸摸屏控制，能夠在觸摸屏上編輯模具序表，能夠用觸摸屏控制清掃機(jī)械手的所有動(dòng)作；清掃機(jī)械手必須同時(shí)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。

圖1 某汽車座椅用合綿生產(chǎn)線清掃機(jī)械手位置示意圖

2 主要硬件構(gòu)成

模具清掃機(jī)械手控制系統(tǒng)主要由觸摸屏、可編程序控制器、控制縱橫兩個(gè)方向直線運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器組成。

觸摸屏型號(hào)為MT8104iH，是威綸通科技有限公司生產(chǎn)的新一代人機(jī)界面，采用169寬屏設(shè)計(jì)。其主要性能指標(biāo):400MHzCPU，128MB內(nèi)存，10.4英寸，65 536色TFTLCD，分辨率800×600，使用軟件EasyBuilder8000。

可編程序控制器選擇日本三菱公司的產(chǎn)品:FX2N-48MT（輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn)，晶體管輸出型）。FX2N系列PLC是三菱公司近年推出的高性能小型可編程序控制器，其功能強(qiáng)，速度快，質(zhì)量輕，能耗小，編程簡(jiǎn)單，配置靈活［1］。

機(jī)械手的位置控制采用松下MINASA4系列交流伺服電機(jī)MDMA022P1U及配套伺服驅(qū)動(dòng)器MADDT1207003，電機(jī)電壓220V，額定功率200 W，額定轉(zhuǎn) 速 3 000r/min，編碼器 5 線制，2 500（p/r）。松下 MINASA4系列交流伺服電機(jī)性價(jià)比高，速度頻率快，超調(diào)整定時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)快速定位［2］。

伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置:Pr02（控制模式選擇）＝0，表示位置控制；Pr04（行程限位禁止輸入無(wú)效設(shè)置）＝2，表示CCWL或CWL信號(hào)與COM－斷路，會(huì)發(fā)生Err38行程限位禁止輸入信號(hào)出錯(cuò)報(bào)警；Pr40（指令脈沖輸入選擇）＝0，表示脈沖通過(guò)普通光耦電路輸入；Pr41（指令脈沖旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置）＝0和Pr42（指令脈沖輸入方式）＝3時(shí)，表示指令脈沖輸入采用“脈沖＋方向”的形式［2］，Pr4B（指令脈沖分倍頻分母）＝1000，表示在Pr48或Pr49＝0時(shí)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的指令脈沖數(shù)［3］，此值越小，速度越快。另外，Pr04、Pr41和Pr42參數(shù)設(shè)置值必須在控制電源斷電重啟之后才能修改、寫入成功。

PLC外部接線圖如圖2所示［4－5］。另外，觸摸屏通過(guò)RS-232串行通信口與PLC實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)USB接口從上位計(jì)算機(jī)下載數(shù)據(jù)與程序。

圖2 PLC外部接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)方案

模具清掃機(jī)械手的控制系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，采用步進(jìn)順控法編程。S1是手動(dòng)的初始步，由X4激活；S0為自動(dòng)的初始步，由X5激活，受X軸與Y軸原位行程開關(guān)X7和X12限制，即自動(dòng)控制開始的原始位置:X軸在SQ2處，Y軸在SQ5處。

3.1 手動(dòng)工作方式

模具清掃機(jī)械手的手動(dòng)工作方式，用于兩臺(tái)伺服電機(jī)在系統(tǒng)正式使用前的調(diào)試和系統(tǒng)突然出現(xiàn)故障后的回零，以及手動(dòng)控制吸塵電機(jī)的通斷與吸塵電磁閥的開合。當(dāng)X2滿足時(shí)，通過(guò)按鈕SB3、SB4、SB5可以對(duì)橫軸（X軸）進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和回原點(diǎn)操作；當(dāng)X3滿足時(shí)，通過(guò)按鈕SB3、SB4、SB5可以對(duì)縱軸（Y軸）進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和回原點(diǎn)操作；同時(shí)，通過(guò)開關(guān)SA3控制吸塵電機(jī)的接通與斷開，通過(guò)開關(guān)SA4控制吸塵電磁閥的開合。

3.2 自動(dòng)工作方式

汽車座椅用合綿生產(chǎn)流水線上的30臺(tái)小車最多可以容納30種不同的成型模具，因?yàn)槟＞叩男螤睢⒊叽绺鞑幌嗤?，清掃機(jī)械手的動(dòng)作勢(shì)必不同。因此，在自動(dòng)工作方式下，首先要在觸摸屏中建立30個(gè)模具的序表（圖3），分別用1～30代表30種不同的模具。該序表要反映汽車座椅用合綿生產(chǎn)線30臺(tái)小車上模具的安放順序，即依次通過(guò)清掃機(jī)械手的模具的順序。序表中可以是30個(gè)同一種模具，也可以是30個(gè)完全不同的模具，即使不足30個(gè)模具也可以（用0表示未安放模具的小車）。模具序號(hào)通過(guò)觸摸屏依次保存到PLC數(shù)據(jù)寄存器D201～D230中，按下重置按鈕X25，可以對(duì)模具序表進(jìn)行修改或重新設(shè)置。

在自動(dòng)工作方式下，編程的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是模具的判定。PLC必須首先判定模具的編號(hào)，然后才能控制清掃機(jī)械手做出相應(yīng)的動(dòng)作，以完成對(duì)模具型腔內(nèi)部的清掃。如圖4所示，PLC自動(dòng)控制部分程序，數(shù)據(jù)寄存器D300通過(guò)X14（小車到行程開關(guān)）對(duì)依次通過(guò)清掃機(jī)械手的小車進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)滿30時(shí)延時(shí)一段時(shí)間清零（T10設(shè)置時(shí)間，比相鄰兩輛小車通過(guò)X14所需時(shí)間稍小即可），表示一次循環(huán)結(jié)束，然后重新計(jì)數(shù)；將D300中的數(shù)據(jù)傳送到變址寄存器Z1中，通過(guò)Z1改變地址（D200Z1）逐一讀取D201～D230中保存的模具編號(hào)，如果D200Z1中的模具編號(hào)為1，則激活步S11，如果D200Z1中的模具編號(hào)為2，則激活步S12，依此類推。步S11～步S40是機(jī)械手分別清掃1號(hào)模具～30號(hào)模具動(dòng)作順序的起始步。M8000表明只要PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，就不會(huì)停止對(duì)經(jīng)過(guò)機(jī)械手的模具編號(hào)進(jìn)行判定，而M5由M0和X15（模具到行程開關(guān)）相與控制，表明只有小車上有模具且按下起動(dòng)按鈕X23時(shí)，機(jī)械手才會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作。數(shù)據(jù)寄存器D301中保存的是模具的計(jì)數(shù)值，該值在觸摸屏界面上動(dòng)態(tài)顯示（圖3）。

圖3 觸摸屏自動(dòng)操作界面

因模具較多，且形狀不一、大小不等，程序較長(zhǎng)，在此不針對(duì)具體模具設(shè)計(jì)清掃機(jī)械手的動(dòng)作程序。采用步進(jìn)順控法，以S11，S12，S13，…，S40作為30個(gè)模具步進(jìn)順序的起始步，運(yùn)用DPLSY脈沖輸出指令按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡控制輸出脈沖的頻率和總數(shù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)械手動(dòng)作的編程。

3.3 報(bào)警清除和急停處理

當(dāng)機(jī)械手出現(xiàn)故障，觸動(dòng)X軸前后限位開關(guān)SQ1、SQ2或Y軸前后限位開關(guān)SQ4、SQ6時(shí)，就會(huì)觸發(fā)行程限位禁止輸入信號(hào)出錯(cuò)報(bào)警。這時(shí)，按下報(bào)警清除按鈕SB2，控制Y6和Y11得電120ms以上，就可以清除報(bào)警信號(hào)。在自動(dòng)程序前面加上急停按鈕X0常開觸點(diǎn)控制的主控指令MC和程序結(jié)束時(shí)的主控復(fù)位指令MCR，在緊急情況下按下急停按鈕SB1可以使機(jī)械手所有動(dòng)作馬上停止。

圖4 自動(dòng)控制部分程序

4 結(jié)論

汽車座椅用合綿生產(chǎn)線成型模具的清掃一般安排兩名工人一前一后完成。因?yàn)榱魉€小車以一定速度運(yùn)行，兩名工人幾乎沒(méi)有休息時(shí)間，加上燥熱的工廠環(huán)境，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。用清掃機(jī)械手代替工人勞動(dòng)，不僅使工人從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，而且清掃質(zhì)量高，速度快，大大提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了企業(yè)成本。

［1］ 廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2008.

［2］ 盧建剛，陳小飆.Minus A4系列交流伺服電機(jī)的PLC控制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（09）:91-92.

［3］ 吉 鳳.基于PLC與伺服電機(jī)控制的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案［J］.工業(yè)技術(shù)，2012（24）:114-115，141.

［4］ 閆 飛.PLC與交流伺服在單軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2012（04）:50-51，59.

［5］ 劉媛媛，張如萍，張正和，等.基于伺服電機(jī)和PLC的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（04）:126-128.