摘要：剪切機(jī)用機(jī)械手的設(shè)計過程，它包括了對于整個系統(tǒng)的工作要求和情況的分析，通過系統(tǒng)的工作過程確定整個液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析整個循環(huán)過程確定系統(tǒng)工作原理圖，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求選擇標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件，完成液壓系統(tǒng)的裝配圖。本文所設(shè)計的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用PLC代替了傳統(tǒng)的繼電器控制完成自動控制，從而使機(jī)床控制結(jié)構(gòu)更加緊湊，功能豐富，提升了可靠性和響應(yīng)速度。

前言

液壓技術(shù)是一門相對發(fā)展較晚的技術(shù)，主要應(yīng)用在反應(yīng)快、動作準(zhǔn)確的自動控制系統(tǒng)中。隨著原子能、空間技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,液壓技術(shù)以滲透到各個工業(yè)領(lǐng)域中,并開始向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、經(jīng)久耐用、高度集成化等方向發(fā)展。與此同時,電液控制系統(tǒng)控制策略也在不斷發(fā)展。多年來,從傳統(tǒng)的PID控制、自適應(yīng)控制到變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、智能控制等諸多新穎的控制手段中得到不斷發(fā)展和完善。

目前，國外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，而中國作為未來工業(yè)機(jī)器人的主要生產(chǎn)國，標(biāo)準(zhǔn)化的過程是發(fā)展趨勢。中國制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國際先進(jìn)制造、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)。加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是中國抓住這個歷史機(jī)遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展要進(jìn)一步落實(shí)：第一，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持，參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加大技術(shù)投入與改造；第二，在國家的科技發(fā)展計劃中，應(yīng)該繼續(xù)對智能機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用給予大力支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量已經(jīng)與國外相當(dāng)，企業(yè)采購工業(yè)機(jī)器人時不要盲目進(jìn)口，應(yīng)該綜合評估，立足國產(chǎn)。智能化、仿生化是工業(yè)機(jī)器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品越來越多的產(chǎn)品化，逐步應(yīng)用於各個場合。伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，多傳感器、分布式控制的精密型工業(yè)機(jī)器人將會越來越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實(shí)施型向服務(wù)型轉(zhuǎn)化。

隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本變化。在70年代出現(xiàn)了用軟件手段來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，以微處理器為核心的新興工業(yè)控制器——可編程程序控制器（PLC）。這種期間完全能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，由于它兼?zhèn)淞擞嬎銠C(jī)控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前世界各國將其作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

1.剪切機(jī)功能結(jié)構(gòu)

本液壓剪切機(jī)主要用于板料的剪切加工。其主機(jī)由送料機(jī)構(gòu)4、料架5、壓塊1和剪刀2等組成。物料的壓緊和剪切由液壓缸驅(qū)動。各工作機(jī)構(gòu)行程上布置有電氣行程開關(guān)csoi～sos)，用來發(fā)信并與PLC共同實(shí)現(xiàn)自動控制。

剪切機(jī)在初始位置時，壓緊板料的壓塊1在上部位置，行程開關(guān)SQ2被頂開。剪刀2也在上面，行程開關(guān)SQ4被頂開。行程開關(guān)soi和SQ5均為常開。

剪切機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)前，物料放在送料帶上，然后啟動液壓系統(tǒng)并升壓到工作壓力后，開動送料機(jī)構(gòu)，向前輸送物料，當(dāng)物料送至規(guī)定的剪切長度時壓下行程開關(guān)SQI發(fā)信，使送料機(jī)構(gòu)停止，壓塊由液壓缸帶動下落，從而接通行程開關(guān)SQ2。當(dāng)壓塊下落到壓緊物料位置觸動s03時，剪刀由另一液壓缸帶動下降，行程開關(guān)s04接通。剪刀切斷物料后，物料下落，行程開關(guān)SQI復(fù)位斷開。每落一塊板料到料架上，sos接通一次，計一次數(shù)。與此同時，壓塊和剪刀分別回程復(fù)位，即完成一次自動工作循環(huán)。然后自動重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)剪切機(jī)的工作過程自動控制。

2.液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1液壓回路的選擇

確定液壓執(zhí)行元件以后，根據(jù)設(shè)備的共組特點(diǎn)和工作要求確定對主要性能起決定性影響的主要回路，機(jī)械手液壓系統(tǒng)主要有針對伸縮運(yùn)動，升降運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動的三個主要運(yùn)動回路。

2.2液壓元件和液壓回路綜合

液壓回路的綜合就是把選擇的液壓回路放在一起，進(jìn)行歸并整理，增加必要的液壓元件和輔助回路，確定完整的液壓傳動系統(tǒng)。同時注意：a.盡量簡化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，減少不必要的液壓元件使用；b.保證整個液壓系統(tǒng)運(yùn)動動作的可靠，安全，沒有元件與機(jī)構(gòu)之間的相互干涉問題的存在；c.盡可能的去提高系統(tǒng)的工作效率，減少不必要的功耗的浪費(fèi)；d.盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)通用的液壓元件。

2.3驅(qū)動設(shè)計要求

1）滿足工業(yè)機(jī)械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進(jìn)動作而實(shí)現(xiàn)。

2）機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)；

3）控制系統(tǒng)設(shè)計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運(yùn)動時間要求。

本次設(shè)計采用液壓傳動的控制方式，相比其他傳動方式有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1）液壓傳動能在運(yùn)行中實(shí)行無極調(diào)速，調(diào)速方便且調(diào)速范圍比較大；

2）在同等功率條件下，液壓傳動裝置的體積小，重量輕，慣性小，結(jié)構(gòu)緊湊，而且能傳遞較大的力或轉(zhuǎn)矩

3）液壓傳動工作比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，沖擊小，能高速啟動、制動和換向。液壓傳動裝置的換向，回轉(zhuǎn)運(yùn)動每分可達(dá)500次

4）液壓傳動裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡單，操縱比較方便、省力，易于實(shí)現(xiàn)自動化，與電氣控制配合使用，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序動作和遠(yuǎn)程控制

5）液壓傳動裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，系統(tǒng)超負(fù)荷，油液經(jīng)溢流閥回油箱。由于采用油液作工作介質(zhì)，能自行潤滑，所以壽命比較長

6）液壓傳動易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，利于設(shè)計，制造和推廣使用

7）液壓傳動易于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動，且元件排列布置靈活

8）液壓傳動中，由于功率損失所產(chǎn)生的熱量可由流動著的油帶走，所以可避免在系統(tǒng)某些局部位置產(chǎn)生過度溫升

3.PLC選型

選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。選擇機(jī)型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護(hù)使用方便以及最佳功能價格比。

（1）結(jié)構(gòu)選擇

PLC主要有整體式和模塊式。

整體式PLC：整體式PLC的每一個點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的小型控制系統(tǒng)中。

模塊式PLC：模塊式PLC功能擴(kuò)展靈活方便。在點(diǎn)數(shù)上，輸入點(diǎn)數(shù)，輸出點(diǎn)數(shù)的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

對于組合機(jī)床，選用整體式PLC較好。

（2）I/O點(diǎn)選取原則

PLC平均的I/O點(diǎn)價格比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定余量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控制對象的輸入輸出信號的實(shí)際需要，再加上10%-20%的余量來確定。

由PLC組成的四工位組合機(jī)床控制系統(tǒng)有輸入信號42個，均為開關(guān)量。其中檢測元件17個，按鈕開關(guān)24個，選擇開關(guān)1個。

電控制系統(tǒng)有輸出信號27個，其中電磁閥16個，六臺電動機(jī)的接觸器和5個指示燈。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的選取原則考慮10%-20%的I/O點(diǎn)數(shù)余量輸入點(diǎn)數(shù)可選取46-50個輸出點(diǎn)數(shù)可選取29-33個。

（3）確定PLC機(jī)型及擴(kuò)展模塊。

根據(jù)（1）（2）及實(shí)際PLC機(jī)型點(diǎn)數(shù)，選用FX2N-64MR主機(jī)和一個16點(diǎn)的輸入擴(kuò)展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點(diǎn)（32+16）。輸出點(diǎn)就是主機(jī)的32。足夠可以滿足42個輸入，27個輸出的要求，而且留有一定余量。

1.1輸入輸出信號分配

輸入輸出信號地址表是將輸入輸出列成表，給出相應(yīng)的地址和名稱，以備軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試時使用的一種表。由本設(shè)計可知控制電路中的按鈕，行程開關(guān)，檢測元件等觸點(diǎn)都屬于PLC的輸入設(shè)備，PLC的輸出控制對象主要是控制電路中的執(zhí)行元件，本設(shè)計主要是接觸器，電磁閥，指示燈。根據(jù)電控系統(tǒng)的輸入輸出信號表知：

1輸入元件數(shù)量

行程開關(guān)12個

按鈕24個

選擇開關(guān)1個

檢測元件5個

2輸出元件數(shù)量

電磁閥16個

接觸器6個

指示燈5個

根據(jù)本設(shè)計選用的PLC機(jī)型，將輸入輸出元件分配到PLC的輸入輸出接口。

4.PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)本設(shè)計的控制與工藝要求，按液壓剪切機(jī)的動作順序及每步所完成的任務(wù)，可得工作循環(huán)流程。

本液壓剪切機(jī)的PLC控制設(shè)有手動和自動兩種工作方式，調(diào)試時用手動方式，連續(xù)生產(chǎn)時用自動方式。當(dāng)工作方式開關(guān)置于手動時，可通過操作臺面板上相應(yīng)的按鈕開關(guān)運(yùn)行某道工序；當(dāng)工作方式開關(guān)設(shè)置為自動時，則由PLC軟件支持實(shí)現(xiàn)自動工作循環(huán)并可對意外故障人工干預(yù)，緊急停機(jī)。

為了節(jié)省輸入接點(diǎn)，以利根據(jù)需要拓展功能，將手動與自動同一操作的發(fā)信元件接到PLC的同一輸入接點(diǎn)上。在自動工作方式時，通過手／自動轉(zhuǎn)換開關(guān)S及軟件控制的PLC內(nèi)部輔助繼電器，可使手動操作不起作用。

5.設(shè)計PLC控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與梯形圖程序

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是完整地描述控制系統(tǒng)的工作過程，功能和特性的一種圖形，是分析和設(shè)計電路系統(tǒng)控制程序的重要工具。本設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖按下列幾步進(jìn)行的

1按液壓剪切機(jī)的控制要求與加工工藝畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

2在畫出的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上以PLC輸入點(diǎn)或其他元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。

3按照電控系統(tǒng)提供的電氣執(zhí)行元件功能表，在狀態(tài)流程圖上對每個狀態(tài)和動作命令配畫上實(shí)現(xiàn)該狀態(tài)或動作命令的控制功能的電氣執(zhí)行元件，并以對應(yīng)的PLC輸出點(diǎn)的編號定義這些電氣執(zhí)行元件。

由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖易的相應(yīng)的梯形圖程序，它們二者是一一對應(yīng)關(guān)系，梯形圖程序請見圖1

圖1PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序

6.結(jié)論

在實(shí)際的生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，減少勞動強(qiáng)度，液壓裝置也就被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中，它可以無疲勞地進(jìn)行重復(fù)的動作。PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，具有開發(fā)柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，用它來控制四工位組合機(jī)床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，是理想的選擇。PLC的采用，降低了機(jī)床的故障率，節(jié)省了大量的維修費(fèi)用，提高了整機(jī)的可靠性，保證了工件的精度要求