引言
在工业生产中，专用机床是工件大批量生产的有效工具，数控机床、加工中心等是工件多品种小批量生产的重要装备。但除切削加工等工艺外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现自动化。若将PLC 控制运用于工业机械手，实现了机床之间高温、笨重等工件的搬运，使高温、笨重等工件的搬运过程自动化，则可代替人手做繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。为作业的自动化，提高劳动生产率，保障工人人身安全奠定了基础。
1 机床工件搬运机械手的概述
1.1 机械手性能参数
机械手能够配合机床( 如锻床、数控机床、组合机床、装配线等) 进行重量不大于100kg 的圆柱形、板材或其他形状金属工件的搬运工作，整体至少有3个自由度( 李允主，1996) 。机械手作业场景: 将已锻造成型的工件从一个工位搬运至另一工位，工件的运动轨迹无特殊要求，手部的运动轨迹较简单，即实现简单的“抓—放”作业。
1.2 机械手运动形式
机械手运动形式: 小臂伸缩，大臂摆转，大臂升降，手部夹持。其坐标形式为圆柱坐标，如图1主视图和图2俯视图所示。机械臂是水平或垂直的悬臂梁，当夹持较重物体，伸出较长时，臂部所受弯矩很大，机械臂应具有较高的抗弯强度; 当夹持物体转动时，机械臂本体加上工件一起，对回转轴线的转动惯量较大，因此，机械臂的重量应较轻; 驱动装置应选方便安装，易拆卸。机械臂抓重较重，转动时转动惯量较大，所需力和力矩较大，故用液压驱动，选用液压缸或液压马达为执行元件。
图1 机械手主视图
图2 机械手俯视图
2 液压驱动系统
2.1 液压回路的设计
机械手动作顺序: 从原位开始—右转—升降臂下降—伸缩臂伸出—夹持器夹紧—升降臂上升—左转—升降臂下降—夹持器松开—伸缩臂缩回—升降臂上升，到原位。若为单循环模式下运行，则原位等待，若为连续循环模式，则进入下一个周期。上述动作均由行程开关或压力继电器发讯号控制相应的电磁换向阀，按程序依次顺序动作而实现。拟定的液压系统图如图3。
图3 液压系统控制图
2.2 液压系统分析
1) 夹持器采用单出杆双作用缸，保证运动过程中夹紧工件，当夹持器夹紧工件后，由液控单向阀组成的锁紧回路可在意外失电的情况下，保持对工件的夹紧;
2) 小臂回转采用摆动液压缸，正反方向均采用单向调速阀调速。由于回转部分的重量大，悬臂较长，转动惯量大，手臂回转时具有很大的动能。因此，采用调速阀回油节流调速，有缓冲作用;
3) 手臂伸缩采用单出杆双作用缸，手臂伸出时，由单向调速阀进行回油节流调速，回油路调速阀的设置可以完成缓冲作用;
4) 手臂升降运动采用单出杆双作用缸，上升和下降均由单向调速阀回油节流调速。因为升降缸为立式，在其液压缸下腔油路中安装单向顺序阀，避免因整个手臂的自重而下降，起平衡作用。
3 PLC 电气控制系统设计
3.1 PLC 的选型
3.1.1 I /O 点数的估算
机械手采用行程开关进行位置检测，根据图3所示，PLC 需要对电磁阀进行控制，当到达行程之后，使某一电磁铁得电或失电，使液压缸换向。输入输出点如表1 。
3.1. 2 PLC 机型选择
由上表1 知: 输入20 点，输出9 点，总点数为29。留出20 %的余量: 总点数为29+6=35点。故选择40 点的CPM2A-40CDR-A继电器触点输出型的CPU 单元，有24点输入，16点输出。程序容量: 8×35=280字(普通系统K=8) 。根据所选欧姆龙的CPM1A-40CDR-A系列的内部元件及输入输出的相关元件、设备，编制出PLC接线图，如图4所示。
图4PLC 接线图
3.2 程序设计
程序功能: 泵单按钮起动，泵起动后，机械手才能有动作; 操作分为手动模式和自动模式，自动模式又分为单周期运行和连续自动运行，手动采用点动方式，机械手在等待状态流程图如图5 所示。
图5 状态流程图
3.3 助记符程序:
LD 00108 泵起停
DIFU( 13) 2000
LD2000
LD2000
AND 01100
KEEP( 11) 01100 泵单按钮起停控制
LD NOT 00201
AND NOT 00202
AND NOT 00203
AND NOT 00204
AND NOT 00205
AND NOT 00206
AND NOT 00207
AND NOT 00208
AND NOT 00209
AND NOT 00210
AND 01100
OUT 00200 手动等待/自动切换( 按下起动按钮00008 为ON 后，自动进入自动模式)
LD 00210
AND 00009
AND 00003
LD 00200
AND 00008
OR LD
OR 00201
AND NOT 00202
AND NOT 00007
OUT 00201 工步1
LD 00201
OR 00202
AND 00000
AND NOT 00203
AND NOT 00007
OUT 00202 工步2
LD 00202
OR 00203
AND 00004
AND NOT 00204
AND NOT 00007
OUT 00203 工步3
LD 00203
AND 00104
OR 00204
AND NOT 00205
AND NOT 00007
OUT 00204 工步4( 部分)
4 小结
可编程控制器作为新一代的工业控制装置，具有开发柔性好，接线简单，安装方便，抗干扰性强等众多优点。将PLC 控制运用于工业机械手，实现机床之间，高温、笨重工件的搬运，使工件生产自动化，则可代替人手做繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，为作业的自动化，提高劳动生产率，保障工人人身安全奠定了基础，同时兼具有使用灵活、调试方便，减少了维修工作量，提高了搬运效率，具有整体技术经济效益。
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本文标题：基于PLC控制机床搬运机械手的设计
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