劉洪軍
【摘 要】本文采用S7-200SMART作為主控制器,驅(qū)動三臺伺服電機(jī),并采用諧波減速機(jī)、高精密的滾珠絲桿以及線性導(dǎo)軌的緊密配合,設(shè)計(jì)了一種三軸沖壓機(jī)器人,可以代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動上下料工作,降低了人工成本,大大提高了工作效率。
【關(guān)鍵詞】三軸;上下料
0 引言
沖床在本質(zhì)上就是一臺沖壓式壓力機(jī),沖壓工藝與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比,具有節(jié)約材料和能源,效率高等優(yōu)點(diǎn),因此在機(jī)械加工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。目前我國大多數(shù)沖床的操作都是由人工完成,由于沖床具有速度快、壓力大的特點(diǎn),因此采用沖床作加工時具有一定的危險性,操作人員必須遵守相應(yīng)的安全操作規(guī)程,以防止誤操作,確保人身安全。
隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,使用機(jī)器人替代人工生產(chǎn),成為安全生產(chǎn)、提高效率、節(jié)約人力的一種趨勢[1]。本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人就是根據(jù)沖壓生產(chǎn)工藝的特點(diǎn),專門為實(shí)現(xiàn)沖壓自動化無人生產(chǎn)而研發(fā)的設(shè)備,能夠取代人工在各個沖壓工位上進(jìn)行物料的上下料等工作。從而能確保安全產(chǎn),并提高生產(chǎn)效率[2]。
1 硬件總體設(shè)計(jì)
三軸沖壓機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要組成部分包括控制系統(tǒng)主控板、伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、電磁吸盤及啟動停止按鈕等組成,三軸沖壓機(jī)器人的組織架構(gòu)圖如圖1所示。
1.1 主控制器
主控制器采用S7-200SMART,這款控制器可以控制各種自動化應(yīng)用,結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉且具有功能強(qiáng)大的指令集,這使其成為控制小型應(yīng)用的完美解決方案[3]。S7-200 SMART CPU模塊本體直接提供三軸100KHZ高速脈沖輸出,通過強(qiáng)大靈活的設(shè)置向?qū)Э山M態(tài)為PWM輸出或運(yùn)動控制輸出,為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置控制提供了統(tǒng)一的解決方案[4],滿足小型機(jī)械設(shè)備的精確定位需求。本文選用S7-200 SMART PLC,其具體型號為ST40,該型號PLC內(nèi)部有三個軸可以配置,控制沖壓機(jī)器人三個軸上的伺服電機(jī),軸0控制橫臂前后伸縮的X軸,軸1控制升降臂上下運(yùn)動的Y軸,軸2控制旋轉(zhuǎn)軸Z軸。
1.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)
本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人三個軸上的伺服電機(jī)及其驅(qū)動器選用西門子SINAMICS V80伺服驅(qū)動系統(tǒng),包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)兩部分,伺服驅(qū)動器總是與其對應(yīng)的同等功率的伺服電機(jī)一起配套使用。SINAMICS V80伺服驅(qū)動器通過脈沖輸入接口來接受從上位控制器發(fā)來的脈沖序列,進(jìn)行速度和位置的控制,通過數(shù)字量接口信號來完成驅(qū)動器運(yùn)行的控制和實(shí)時狀態(tài)的輸出[4]。
1.3 電磁吸盤
電磁吸盤是一種用電磁原理,通過使內(nèi)部線圈通電產(chǎn)生磁力,將接觸在面板表面的工件緊緊吸住的,通過線圈斷電,磁力消失實(shí)現(xiàn)退磁,取下工件的原理而生產(chǎn)的一種機(jī)床附件產(chǎn)品。本文采用4個直流24V電磁吸盤安裝在吸盤治具上,由控制系統(tǒng)PLC輸出點(diǎn)控制電磁吸盤的得電與斷電,從而可以實(shí)現(xiàn)5KG以內(nèi)的產(chǎn)品的吸附搬運(yùn)工作。
1.4 傳動系統(tǒng)
傳動部分通過滾珠絲杠、線性導(dǎo)軌以及同步帶等設(shè)備將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動變成三個軸的伸縮、上下以及旋轉(zhuǎn)擺動運(yùn)動。傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主要包括主控制器以及X軸前后伸縮傳動、Y軸上下傳動和Z軸的旋轉(zhuǎn)擺動傳動設(shè)計(jì)。三軸沖壓機(jī)器人外觀圖如圖2所示:
2 軟件總體設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)步驟如下:
(1)根據(jù)系統(tǒng)工作要求,配置三軸運(yùn)動控制的初始化配置,為實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動的精確控制做好準(zhǔn)備;(2)建立運(yùn)動順序功能圖,把各種控制指令的動作順序以及他們之間的聯(lián)動控制等關(guān)系確定下來;(3)根據(jù)工作要求,把系統(tǒng)所有PLC控制的輸入和輸出信號定下來;(4)進(jìn)行編程并調(diào)試
2.1 三軸運(yùn)動控制的初始化配置
編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART提供的位控向?qū)Э梢院芊奖愕赝瓿蒔WM、PTO的組態(tài)。該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?,用這些指令在應(yīng)用程序中對速度和位置進(jìn)行動態(tài)控制。運(yùn)動控制向?qū)Э梢蕴峁┤齻€軸脈沖輸出的設(shè)置,脈沖速度從20HZ到100HZ可調(diào)。
2.2 運(yùn)動控制順序
三軸沖壓機(jī)器人的主要功能是實(shí)現(xiàn)物料的上下料工作,其工作流程基本為:X軸伸出到位、Y軸上升到位、Z軸擺動到位、Y軸下降到位、電磁吸盤吸附物料、Y軸上升到位、Z軸回?cái)[到位、Y軸下降到位、吸盤放下物料,這樣完成一次物料的上下料工作。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的三軸沖壓機(jī)器人,是一款可以代替人工實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動上下料的自動化裝置。它采用高精密的全伺服電機(jī)驅(qū)動,定位準(zhǔn)確;采用進(jìn)口諧波減速機(jī)、高精密的滾珠絲桿以及導(dǎo)軌的緊密配合,使得運(yùn)行穩(wěn)定、精準(zhǔn),而且耐磨性強(qiáng),使用壽命強(qiáng),可完成復(fù)雜的運(yùn)動控制。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和功能的不斷完善,將會有越來越多的機(jī)器人進(jìn)入工廠車間,替代人工,實(shí)現(xiàn)安全、高效率的自動化生產(chǎn)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]譚仲海.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2015.10.
[2]徐麗春.自動上下料通用機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].液壓與氣動,2013.8.
[3]王學(xué)良.基于PLC的機(jī)械手自動上下料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能控制技術(shù),2016.2.
[4]向曉漢.S7-200SMART PLC完全精通教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013.8.endprint