西门子6ES7222-1BF22-0XA8功能介绍
0引言
搬运机械手以其具有一定的柔性、动作灵活等特点，用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，加快生产节拍，极大地提高了制造企业的生产效率和产品质量。在自动化生产线上下料作业中，特别是在有毒的、易燃易爆等恶劣环境内，得到广泛应用?。随着机器人技术的不断发展，简单、可靠、易于操作已成为机器人研制的准则。由于气动器件具有结构简单，造价较低，易于控制，维护方便的特点，而交流伺服电机具有运动参量易于控制等优点，从机械手工作的稳定性，可靠性，易操作性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便性角度出发，本文设计了由可编程序控制器和触摸屏联合控制，由交流伺服电机和气缸为动力源的U型板搬运机械手。
1U型板搬运机械手的结构与功能
U型板搬运机械手是整个冰箱生产线上自动化设备的一部分，其主要任务是将U型壳从折弯生产线搬运到另一条加工生产线上，转换U型壳姿态由竖直变为水平，整个工作循环小于15s。搬运机械手机械机构设计方案如图1所示，此图是利用PROE三维设计软件对整个机械手构建的模型图。该机械手主要由水平移动部分，竖直移动部分，开合横梁，大臂，小臂组成，水平方向上由交流伺服电机经行星齿轮，再通过齿轮齿条减速带动整个机械手在横梁上做水平直线运动;竖直方向上由交流伺服电机经滚珠丝杠减速带动关节做垂直直线运动;在末端由翻转气缸带动小臂绕轴线做旋转运动，夹爪由四个气缸驱动实现手爪的开合动作，真空吸盘利用真空吸附原理增加对U型板的夹持力，竖直方向的平衡气缸可以通过输出力平衡掉整个机械手的重力，还可以增加竖直方向的刚度。
2U型板搬运机械手的气动原理
该机械手的翻转，夹持与吸附是通过相应的电控制的，而电磁阀的控制信号则由PLC发出。由于U型板的宽度是多样的故开合气缸选择带有刻度和端锁的气缸，该气缸可以根据传感器在表面刻度尺上的位置，来确定起动和停止的位置。两开合气缸由两个三位五通的电磁阀来控制，两个内支撑气缸由两个两位五通阀控制。当2DT和4DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT断电时，开合气缸带动大臂，小臂由外向里移动，内支撑气缸带动挡板由里向外移动完成夹持U型板的动作，移动完成后2DT和4DT，7DT和8DT断电后，开合气缸处于保压状态并且两气缸被端锁固定，此时手爪夹持动作结束;当1DT和3DT，7DT和8DT通电且5DT和6DT也通电时，手爪开始移动，移动结束后1DT和3DT，7DT和8DT断电，此时手爪松开动作结束。由于两手臂夹持同一个U型板，故两翻转气缸由一个两位五通阀控制，当9DT通电时两翻转气缸带动两小臂上旋，断电后小臂下旋。当11DT和13DT通电时，4个真空吸盘开始抽真空，配合手爪夹持动作，增加夹持力保证手爪带动U型板运动时的安全性;当1lDT和13DT断电且10DT和12DT通电时，真空吸盘排真空，配合手爪松开动作，将U型板放置到生产线上。平衡气缸由精密减压阀控制，使气缸下腔保持在设定压力值上抵消机械手的重力，保证竖直交流伺服电机上下运动时输出力矩相等。系统气动回路如图2所示。由于该机械手采用气压传动，在设计时考虑了系统调压、调速、缓冲以及安全问题。尤其在旋转限位上除了加入了挡铁还加入液压阻尼器，用于吸收小臂旋转的能量，减少整个系统的振动。
3U型板搬运机械手的PLC控制方案
3.1 PLC选择与I/O分配
本设计中采用CPlH.X40DT-D系列的PLC[21，此PLC为欧姆龙基本型，共有24个输入和16个输出。由于输出点数较多故外加具有16个输出端口的继电器输出式输出扩展模块。伺服电机由脉冲输出端口输出的PWM信号控制，有CW/CCW和脉冲+方向两种控制方式，本设计中采用CW/CCQ控制方式，I/O分配如图3所示。
3.2系统初始化
由于机械手操作结束时，两个伺服电机和各个气缸的位置均是随意的，在开机后，进入自动循环之前需要对各伺服电机和气缸进行初始化。具体操作如下：x轴电机归零，z轴电机归零，各气缸初始化。机械手的机械零位在工作空间的右上角处，两坐标轴归零均采用三次归零，采用一个零位信号。次归零为正向高速归零，第二次归零为反向低速归零，第三次为正向低速归零。此时的零位是机械零位即硬零，为了后期示教方便机械归零后利用INI命令将工作空间内的右下点规定为软零。开合气缸和内支撑气缸处于使手爪处于松开状态，旋转气缸缩回使大臂小臂在同一直线。
3.3 PLC程序设计流程
系统软零设定后，交流伺服电机可以通过码盘读数显示出两电机相对于软零的位置，机械手在运行过程中由于受实际工况要求和避障要求的限制需要沿折线行走，如图4所示。机械手归零后处于M点，通过PLC指令设定软零0点，自动程序开始运行后机械手沿短路径运行到起始点B，当前线工序结束后机械手接受指令进入循环。运行轨迹中的各节点坐标是通过对不同型号的U型板进行示教获得，而节点处是通过比较两伺服电机中的脉冲值与示教坐标值来实现动作转换的，机械手自动循环示意图如图5所示。
4U型板搬运机械手的触摸屏控制方案
为实现良好的人机交互性能，本设计中采用DOP.A系列触摸屏与欧姆龙PLC联合控制。该触摸屏拥有便利的运算与通讯巨集指令，良好的配方功能还具有线上模拟和离线模拟等功能。
4.1触摸屏的整体设计方案
根据设计和人机交互的要求，本机械手的触摸屏框图如图6所示。
4.2示教点参数设置
由于U型板的型号不等故在前生产线的夹持点C，后生产线的放置点H以及途中各避障点的坐标均要发生变化。宽度方向的调整根据标尺手动调节开合气缸上传感器的位置，而其他两个方向则要通过参数调整界面来调整。触摸屏调整界面如图7和8所示，通过调整界面1设置自动模式中运行轨迹的各段加减速、匀速值以及关键点坐标值。在调整界面2中，点击。运行至C点”按钮，机械手运行到前线点C，点击“参数设置开始”按钮，根据实际工况按“上下左右”按钮通过伺服电机**调节夹持点C的位置，左侧可以显示电机坐标值也可改变电机运行速度，调整完毕后点击“保存参数设置”按钮，后线放置点H的调节同前线点的设置。
5试验与调试
将PLC程序和触摸屏编辑界面通过PC机植入到可编程控制器中，通过示教界面将各U型板型号对应的节点数据找出并存储至J|PLC存储器中。由于整个循环时间有小于15s的时间限制，故需对各段运行速度和加速度进行设定，经试验可知速度脉冲为60000(0.754)，加速度为120(0.377)时循环周期为14s，并且整个系统振动较小，符合设计要求。
1 系统介绍
炭素成型生产是炭素配料、混捏后的又一生产重要环节。成型就是将混捏好的糊料用加压设备压制成所需要的形状和尺寸以及具有较高密度的半成品(生坯)。我公司炭素厂使用振动成型方法，主要生产炼铝用预焙阳极和高炉用的炭块等。
振动成型主要设备有振动台、模具和重锤，将盛装热糊料的模具放在振动台上，把重锤压在糊料表面上开动振动台，使糊料受到振幅小而频率高的强迫振动，在强烈的振动下糊料颗粒间的及糊料与模具壁间的摩擦力减小，颗粒移动并合理分布，得到具有规定形状的高密度的产品。压好的半成品经冷却、检查后堆放。
我公司炭素厂原使用的振动成型机是人工手动调节，炭块的重量、高度波动范围大，对产品的产量和质量有较大的影响。为此必须根据人工操作积累的经验设计一种具有较高智能、高可靠度的自动控制系统，来提高炭素振动成型生产的产能和合格率，延长电气设备的运转周期，缩短故障检修时间，降低生产成本和岗位操作工的劳动强度。
2 系统组成
PLC是采用微处理器技术的新型工业控制装置，是一种使用可编程序存储器来存储设备所需专用程序的电气设备。它具有将逻辑运算顺序操作，限时，计时以及算术运算，数据通讯等功能，通过数字量或模拟量的输入/输出模板去控制各种设备或过程。其硬件结构如图1所示。
它采用了大规模的集成电路，故特别适应于高温、潮湿、电磁干扰、机械振动大的比较恶劣的工业现场环境。输入/输出接口组件的模块化，系统设计时根据被控对象的要求，选择必要的功能模块组成控制系统，大大提高了工程效率和系统的可靠性。
在该控制系统中选用日本三菱公司的PLCMITSUBISHI A1S小型系列作为下位机。它具有成本低、功能强的特点。上位机选择惠普PIII微机，配以美国InbbblutionFIX软件，ORMON公司的继电器、行程开关，德国威德米勒隔离器、变送器，安川变频器等组成自动控制系统。系统总貌图如图2所示。
3 系统功能
3.1 该系统的上位机系统功能如下：
1.实时反映工艺流程，形象再现生产过程(系统主画面图见图3);
2.图表显示生产数据，方便操作工了解生产状况;
3.及时产生报警信息并予以打印，帮助操作工查找分析故障原因;
4.以曲线形式在线生产数据，方便查找历史数据，分析生产趋势;
5.以报表打印形式反映生产状况;
6.帮助操作工实现电机连锁开、停，并反映电机启动停车的有关信息;
7.给定控制工艺参数。
3.2 该系统的下位机功能如下：
1.数据采集：通过PLCAlS68AD转换模板对冷却水温度、糊料温度、糊料计量称、油箱油温、油箱油压、炭块高度、变频器电流进行模拟采集，并转换成FIX认可的数据格式(系统主要测点如下图4)。
2.电机连锁控制，以简单易行的PLC取代以往繁琐复杂、故障率高的电气连锁控制，并实现操作工远程开、停电机的功能。主要I/0点安排如下：
I/O Name Comment Remark
X80 CAR-EAST 称量车回到位
X81 CAR-WEST 称量车送料到位
X82 CAR-CLOSED 称量车门闭到位
X83 CLAMP-L CLOSED 左模夹紧到位
X84 CLAMP-R.CLOSED 右模夹紧到位
X85 CLAMP-L.OPENED 左模夹放松到位
X86 CLMP.R.OPENED 右模夹放松到位
X87 HAMMER-HIGH 重锤上升到位
X88 HAMMER-LOW 重锤下降到位
X89 MOLD-HIGH 模具上升到位
X8A MOLD-LOW 模具下降到位
X8B PUSH-OUT 推进器推出到位
X8C PUSH-IN 推进器返回到位
X8D SAFE-L.OPENED 左安全爪开到位
X8E SAFE-R.OPENED 右安全爪开到位
X90 SAFE-L.CLOSED 左安全爪闭到位
X91 SAFE-R.CLOSED 右安全爪闭到位
X92 CLASP-OPENED 抱闸开到位
X93 CLASP-CLOSED 抱闸闭到位
X94 PUSH-ENABLE 后辅机允许推出
X95 CAR-OVERLOAD 称量车电机过载
X96 QUIVER-OVERLOAD 振动电机过载
X97 BP.RUNNING 变频运行
X98 BP.ALARM 变频报警
X99 SYS.AUTO 系统手自动切换
X9A OIL-LOW 低油压
X9B BP.GIVE-M 点动补料
X9C GIVE-SAFE 布料安全
YA1 CLAMP-CLOSE 模具加紧
YAl CLAMP-OPEN 模具放松
YA2 HAMMER-DOWN 重锤下降
YA3 HAMMER-UP 重锤上升
YA4 MOLD-UP 模具上升
YA5 MOLD-DOWN 模具下降
YA6 PUSH-GO 推进器推出
YA7 OIL-GUSH 喷油
YA8 DOOR-OPEN 开车门
YA9 BP.FWD 变频下料
YAA BP.RESET 变频复位
YB0 CAR-GO 程量车送料
YBl CAR-BACK 程量车返回
YB2 QUIVER-START 振动开始
YB3 CLASP-OPEN 开抱闸
YB6 TRANS.RUN 板式机运行
3.3 通过变频器控制圆盘螺旋下料机的电机转速来控制炭块的重量。
三菱A2ASCPFSI系列I/0点数量能达到1024点，程序语言使用梯形图或指令字语言，程序容量可达到64K步，并具有自诊断功能。
4 控制过程的实现
控制过程有4个操作程序：1、下料;2、装料;3、振动挤压、脱模;4、炭块推出、冷却输送。贯穿于振动成型过程中的主要问题是正确掌握温度、压力、振动频率、振动时间、推出速度。
4.1下料
经过混捏好的糊料，一般温度在130℃-140℃左右，从圆盘螺旋下料机顶部加料口加入，经分料器的上部锥体分布在圆盘上。在下料前，检查判断糊料斗称量车是否在圆盘螺旋下料机的下方等待接料，控制变频器输出驱动圆盘螺旋下料机电机的螺旋转速，对糊料斗称量车下料，下料过程由快到慢以满足炭块的重量。糊料斗车连同行走铁轨装有TOLEDO衡器公司生产的称重装置用于计量炭块的重量。炭块的重量可根据产品的类型、要求由上位机给定。
4.2装料
装料前PLC检查判断模具到位、模具安全爪夹紧到位、重锤上升到位、重锤安全爪夹紧到位等信号，打开糊料斗称量车的抱闸驱动小车送料，行走到模具口上方时停止行走关抱闸，糊料斗称量车底开门把称好的糊料放入模具中。
4.3振动挤压、脱模
1、振动挤压：此时PLC检查判断糊料斗称量车存在返回到位信号，重锤安全爪松开并到位，重锤下降并到位，开始驱动2台振动电机带动偏心振子转动，不平衡质量回转引起惯性力迫使振动台振动。又由于2个振动器转动方向、同步，使它们的惯性合力水平方向为零，只有在垂直方向产生激动力。振动台上的模具和装在模具内的糊料都处于强烈的振动状态。振幅不大(一般在1~2mm)，但振动频率很高(40~50HZ)，它们的运动速度很快，振动周期在0.02秒左右，将产生大的加速度，这个加速度大大超过重力加速度，是它的几十倍至几百倍，糊料颗粒质量大小不同，获得的惯性力也不同，颗粒界面间产生应力，而这个应力超过糊料的内聚力，便产生相对位移。在强烈的振动下，糊料颗粒间的内摩擦力及糊料与模具壁之间的外摩擦力也急剧下降，糊料便具有重液体的液体性质，跳跃着的糊料迅速充填到模具的各个角落，较小的颗粒充填到大颗粒间的空隙中去，从而得到具有规定形状的高密度程度的产品。
2、振动时间：是从重锤落到糊料面到完成振动所需的时间。振动时间短，则糊料密度低，既孔隙度大。铝电解用预熔阳极炭块振动时间为1~2分钟。振动时间可根据产品在现场整定。
3、脱模：输出信号驱动重锤上升并到位，重锤安全爪夹紧并到位;模具安全爪松开并到位，驱动模具上升且到位。
4.4炭块推出、冷却输送
1、炭块推出：驱动推出器从振动台推出炭块，在推出过程中对产品的高度进行检测。测高仪选用西安适盛测试设备公司的激光测高仪表，用来测试产品的质量。
2、冷却输送：被推出的产品马上在凉水中冷却，防止产品冷却的弯曲和变形。冷却时间应根据季节、产品直径大小、冷却水的温度TE103，现场整定。冷却完成后，驱动板式输送机输送炭块到炭块堆场，检查合格后堆放。