机械手，是一种模仿人手部分功能实现特定抓取、搬运或其他操作的自动化机械设备，可替代人的部分操作，以提高生产效率、降低劳动强度，目前已在各种数控机床上得到广泛应。本文针对某小型数控车床的工作流程及结构特点，设计一种上下料机械手，以提高数控车床工作效率。
1 上下料机械手的结构及动作
该上下料机械手与数控车床的布局与加工过程，如图1所示。机械手的工作流程为：机械手由初始位置转向工件台，定位并抓取工件，而后机械手转向数控车床，将工件放置到三爪卡盘上进行加工。为实现上述功能，该上下料机械手在空间上需要实现5个自由度的位移，同时，为使定位准确，其空间位移方式将采用圆柱坐标方式。考虑到夹持的工件质量较小，机械手可采用气压传动方式。
图1 机械手与数控车床加工布局
图2为本文所设计的机械手结构图，包括手爪、手臂、立柱及底盘。手臂包括横轴与竖轴，由标准气缸进行控制以实现手臂的伸缩及在立柱上的升降。考虑到所夹持的工件为圆形零件且直径范围变化较大，机械手采用SMC的平行开闭型气动手爪实现夹紧动作，而回转动作的实现可采用SMC的标准回转式气缸，进行驱动可实现0°～180°回转。底座采用双作用薄型齿轮齿条式摆动气缸驱动，可带动整个机械手实现顺、逆时针0°～270°的旋转。机械手通过单线圈双位置电磁阀控制手爪的夹紧与放松，并通过接近开关限定位移机构的移动范围。
图2 机械手结构图
2 机械手驱动系统设计
该车床上下料机械手，将采用气动系统驱动，包括气动三联件、各种气缸、气源、气动系统控制阀等，如图3所示。机械手的横轴水平运动X、竖轴垂直运动Y、底座旋转运动Z、手腕部摆动R及手部夹持运动H分别由伸缩气缸、升降气缸、回转气缸、摆动气缸及手指气缸实现。系统中，气动控制元件采用SMC的标准产品，电磁阀则选采用SY系列。其中，回转气缸为三位五通电磁阀，转臂在中位等待时，气缸两腔与大气相通，以免重新启动时对机器形成冲击，其余控制回路均采用两位五通电磁阀。每个气缸的两个气口均有单向节流阀以保证运行平稳。回转气缸的型号为CDRB1BW50-90D；手指气缸的型号为MHZ2-40D。摆动气缸选用的型号为CDRB-20X-180S。伸缩、升降气缸的型号为CDQ2B20-15DM。
图3 机械手气动驱动系统
①横轴的水平运动X、竖轴的垂直运动Y。机械手横轴的水平运动X由伸缩气缸控制实现。当压缩气体由电磁阀V1.1进入伸缩气缸的无杆腔，迫使气缸伸出以实现机械手横轴的前伸运动；同理，若要实现机械手的收缩运动，则可将电磁阀V1.2打开，压缩气体进入到伸缩气缸的有杆腔，迫使气缸缩回实现机械手横轴的回缩运动。机械手竖轴的垂直运动Y由升降气缸及电磁阀V2.1、V2.2实现。打开电磁阀V2.2（V2.1），压缩气体进入升降气缸的有杆腔（无杆腔），则可实现气缸的降（升）运动。
②底座的旋转运动Z、手腕部的摆动R。机械手横轴底座的旋转运动Z由回转气缸控制实现。当压缩气体由电磁阀V3.1进入Z轴回转气缸0°侧则气缸回转以实现底座0°～90°范围内的旋转；同理，若要实现底座90°～0°的旋转，则可将电磁阀V3.2打开，压缩气体进入到回转气缸90°侧气缸即可。机械手手腕部的摆动R由摆动气缸及电磁阀V4实现。压缩气体进入摆动气缸的0°（90°），则可实现气缸的旋转运动以带动加工工件的相应旋转。
③手部的夹持运动H。该动作由电磁阀V5及手指气缸控制。压缩气由打开的电磁阀V5进入手指气缸的无杆腔则可迫使气缸夹紧从而实现手指对工件的夹紧; 同理当电磁阀V1关闭，压缩气体进入手指气缸的有杆腔，则气缸松开加工工件。
3 控制系统设计
根据机械手的工作特点，控制系统采用PLC作为控制器，图4为机械手控制流程图。现根据机械手流程图确定PLC型号并确定I/O点数，同时，设计控制系统硬件并对PLC进行软件编程。
图4 为机械手控制流程图
①PLC选型与I/O分配。根据机械手控制流程及工作要求，机械手PLC控制系统输入信号为18个，输出信号为12个，图5为输入输出信号作用及地址分配。因此，选用输入点的个数≥17、输出点的个数≥10的PLC，本机械手控制选用的是西门子S7系列226型产品，该型号PLC共有24个输入点及16个输出点，PLC由专用电源供电。
图5 输入输出信号作用及地址分配
②I/O电气接口图。图6为上下料机械手I/O电气接口图。机械手的气动插头接220V交流电源，当Q1开关闭合，则接通24 V电源并输出24 V直流电压。当开关Q2与操作台面上的总开关Q3闭合，电影将给PLC供电，电源指示灯点亮，机械手控制系统完成初始化。
图6 机械手I/O 电气接口图
③PLC控制程序软件实现。该车床上下料机械手的工作，是将待加工的工件从取料位夹紧并抓取到数控车床的三爪夹盘上进行加工。初始时，机械手处在取料区，手臂处于上端，手指松开。机械手的动作由气缸及相应的电磁阀进行控制，控制方式可分为手动和自动方式两种。对于手动控制方式，需设置各手动按钮所对应的动作，既可单步操作亦可按周期方式操作。而自动控制方式则只需按下起动按钮，则机械手从初始位置开始，按图4所示的工作循环图开始重复工作，直到按下停止按钮。该机械手的PLC控制程序采用梯形图法，具体程序如图7、图8所示。
图7 PLC控制程序梯形图1
图8 PLC控制程序梯形图2
4 结 语
本文利用PLC对数控车床上下料机械手实现了自动控制，提高了数控车床生产的加工效率，减轻了工人的劳动强度，降低了生产成本。同时，PLC模块灵活，若机械手加工流程发生改变，只需对I/O点的接线进行重新分配或修改，并调整相应程序，具有较强的实用性。
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本文标题：上下料机械手的PLC控制系统设计
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