基于 PLC 的翻轉(zhuǎn)機控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

在運輸和加工過程中經(jīng)常需要對零件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)方法一般采用天車實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，這種吊裝式翻轉(zhuǎn)方法對于粗糙的大型構(gòu)件比較適用，而對于精度要求高、外形特殊的構(gòu)件，常常需要設(shè)計滿足特定要求的翻轉(zhuǎn)機。在沖壓場合中，工件沖壓完成常需要將上下表面翻轉(zhuǎn)，送入下一沖壓工序進(jìn)行沖壓。傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)由人工手動翻轉(zhuǎn)，但隨著沖壓自動化水平不斷提升，機器人輔助沖壓自動生產(chǎn)線逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻轉(zhuǎn)方式。其中，有采用兩個六自由度機器人，兩者之間可直接交換翻轉(zhuǎn) ；對于采用五自由度非標(biāo)機器人，則需借助臨時承料臺實現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移 ；對于采用四自由度非標(biāo)機器人，可由兩個非標(biāo)機器人和一臺翻轉(zhuǎn)機配合完成。本文針對采用四自由度非標(biāo)機器人的翻轉(zhuǎn)機系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 翻轉(zhuǎn)要求

首先由機器人將工件放置于翻轉(zhuǎn)機的承料臺上，翻轉(zhuǎn)機感應(yīng)到工件，然后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，這樣就可實現(xiàn)被放置工件上下表面調(diào)換。要實現(xiàn)此要求，一般要求工件放置好后需要將工件夾緊，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將其翻轉(zhuǎn) 180°，夾緊機構(gòu)松開。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

左右翻轉(zhuǎn)機的機械結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。整個機構(gòu)主要由工件夾持機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和支撐架三部分構(gòu)成。其中，工件夾機構(gòu)主要由一個伸縮氣缸、鋁型材承料支架和多個定位塊構(gòu)成 ；翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是由一臺配減速器的步進(jìn)電機、膜片式聯(lián)軸器、軸承和轉(zhuǎn)動支撐板組成，其固定于轉(zhuǎn)動支撐板上，設(shè)計的減速器傳動比為 15∶1 ；支撐架主要由矩形的底箱和兩根帶上橫桿的立柱構(gòu)成，控制電箱放置于底箱內(nèi)，三色報警指示燈固定于橫桿上。

2 控制設(shè)計

翻轉(zhuǎn)機整個動作順序如下 ： 

（1）將物料放置到下蓋板，由定位塊定位，翻轉(zhuǎn)臺上蓋板由氣缸推動下移，使上下蓋板閉合，實現(xiàn)夾緊工件 ； 

（2）翻轉(zhuǎn)臺順時針翻轉(zhuǎn) 180°，翻轉(zhuǎn)到位后翻轉(zhuǎn)臺上蓋板上移，上下蓋板打開實現(xiàn)物料上下表面的調(diào)換 ； 

（3）取走物料，完成一次翻轉(zhuǎn)動作 ； 

（4）再次放入物料，氣缸動作，上下蓋板閉合 ；

（5）翻轉(zhuǎn)臺逆時針翻轉(zhuǎn) 180°；

（6）氣缸動作，上下蓋板打開。

在一個動作循環(huán)中，翻轉(zhuǎn)機可完成兩次翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)機復(fù)位后，放置工件的料架處于水平位置，自動運行過程中，反復(fù)執(zhí)行上述動作步驟。

2.1 電氣控制構(gòu)成框圖

整個系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖 2 所示。圖中，PLC 控制電磁換向閥和步進(jìn)電機驅(qū)動器，分別實現(xiàn)氣缸的上、下蓋板的開與合以及上下蓋板的翻轉(zhuǎn)。

2.2 電氣原理圖

左右翻轉(zhuǎn)機控制原理如圖 3 所示。步進(jìn)電機采用共陽極接法，即步進(jìn)電機驅(qū)動器上，STEP+，DIR+，EN+ 端口和開關(guān)電源的 24 V 端口相連，脈沖輸入 STEP- 和 PLC 的Y001 相連，方向輸入 DIR- 與 Y003 相連。氣缸的伸縮由電磁閥控制，PLC 通過 Y005 控制電磁閥線圈。三色指示燈采用常亮閃光型接法。由于三色指示燈的紅燈、黃燈、綠燈、蜂鳴器每個工作電流 20 mA 以上，采用小型電磁繼電器增大 PLC 驅(qū)動三色指示燈的能力。以綠燈為例，Y010 驅(qū)動電磁繼電器的線圈，然后由電磁繼電器的常開觸點控制綠色指示燈。

2.3 程序流程

該翻轉(zhuǎn)機控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種控制方式。手動方式主要完成上下蓋板打開、上下蓋板閉合、左翻轉(zhuǎn)、右翻轉(zhuǎn)和復(fù)位。自動模式分為外部和內(nèi)部兩種控制模式 ：外部控制模式時，由外部控制器發(fā)出一個“啟動翻轉(zhuǎn)”的 I/O 信號，翻轉(zhuǎn)機動作，完成一次翻轉(zhuǎn)，上下蓋板打開后，通過 I/O 信號給外部控制器發(fā)出“翻轉(zhuǎn)完成”的信號，如此實現(xiàn)外部控制 ；內(nèi)部控制模式時，可由物料有無信號或控制按鈕來控制翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)。系統(tǒng)控制流程如圖 4 所示。

為提高系統(tǒng)運行的可靠性，系統(tǒng)程序設(shè)置了異常狀態(tài)監(jiān)測，主要包括伸縮氣缸動作超時、翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)動作超時、伸縮氣缸伸縮同時感應(yīng)檢測異常、翻轉(zhuǎn)臺左右限位同時檢測異常以及急停異常等。系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，即由三色報警燈和蜂鳴器提示，一般需要排除故障后，并再次復(fù)位后才能重新運行。

3 結(jié) 語

本文利用步進(jìn)電機和伸縮氣缸實現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)機，實現(xiàn)了五金板材工件的上下表面的調(diào)換，滿足了沖壓生產(chǎn)中需要工件表面翻轉(zhuǎn)的工藝要求，在機器人輔助搬運物料的沖壓自動線上，減少了機器人的動作復(fù)雜度。調(diào)試結(jié)果顯示，該翻轉(zhuǎn)機具有成本低、動作速度快、運行穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點，其最快的運行節(jié)拍可達(dá)到每個 3 s。該翻轉(zhuǎn)機在自動化生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。