陶瓷墻地磚分檢機械手運動及控制系統(tǒng)的設(shè)計聶陶蓀 1 , 程洪濤 1 , 梁 剛 2 , 田 鋒 1 , 黃金源 1Movement and Control System Design of the Ceramic Tile Categorizing MantpulatorNIE Tao2sun1 , CHENG Hong2tao1 , LIANG Gang2 , TIAN Feng1 , HUANGJin2yuan1(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 , 江西省景德鎮(zhèn) 333001 ; 2.景德鎮(zhèn)高等專科學(xué)校 , 江西省景德鎮(zhèn) 333000)摘要 :對陶瓷墻地磚全自動檢測生產(chǎn)線的均布三臂回轉(zhuǎn)式分檢機械手進(jìn)行了運動及控制系統(tǒng)設(shè)計。其機座的回轉(zhuǎn)及手臂的升降等運動采用氣動驅(qū)動 ,手腕采用具有斷電保護(hù)的真空吸盤吸附方式 ,控制運動的PLC系統(tǒng)采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計 ,具有可靠性高、抗干擾能力強和易于操控的特點。關(guān)鍵詞 :陶瓷墻地磚 ; 分檢機械手 ; 控制系統(tǒng) ; 可編程控制器中圖分類號 :TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :B 文章編號 :100024858 (2007) 05200652031 前言針對我國陶瓷墻地磚行業(yè)的迅速發(fā)展而檢測技術(shù)卻仍停留在人工隨機抽檢的現(xiàn)狀 ,文獻(xiàn) 1 提出了基于光纖傳感器的墻地磚自動檢測技術(shù) ,該技術(shù)可以避免漏檢 ,保證檢測質(zhì)量且實現(xiàn)自動分級碼垛。該檢測生產(chǎn)線中對被檢測后的墻地磚進(jìn)行分級碼垛的機械手目前在國內(nèi)尚無現(xiàn)成的產(chǎn)品。因而為實現(xiàn)該檢測生產(chǎn)線的功能 ,研制一種適用的分檢碼垛機械手是完全必要的。本文主要針對均布三臂回轉(zhuǎn)式分檢機械手的運動和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計。2 檢測生產(chǎn)線工作原理該檢測生產(chǎn)線采用反射式光纖傳感器作測量頭 ,對墻地磚表面進(jìn)行多點檢測。其工藝流程為 :墻地磚由輸送帶輸送 ,當(dāng)墻地磚到達(dá)正確的檢測位置時 ,被光眼檢測到 ,控制系統(tǒng)啟動傳感器對墻地磚進(jìn)行測量 ,測量數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理 ,并按國家標(biāo)準(zhǔn) 5 分為優(yōu)、合格、不合格 3 個等級。根據(jù)處理結(jié)果 ,中央控制器控制分檢機械手將不同等級的墻地磚輸送至不同的方向 ,最后由碼垛機將各等級墻地磚分別收集碼垛。該檢測生產(chǎn)線示意圖見圖 1。圖 1 檢測生產(chǎn)線示意圖該機械手采取均布回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu) ,從而保證了機械手隨時都有一手臂處于生產(chǎn)線取磚的位置。墻地磚按所檢測的結(jié)果分為 3 個不同等級分別輸送堆放在 3 個碼垛位置 ,優(yōu)等品有輸送線送至碼垛 1 ,機械手不動作 ;合格品與不合格品分別有機械手取至碼垛位置 2 ,碼垛位置 3。3 機械手運動及控制系統(tǒng)設(shè)計3. 1 氣動回路系統(tǒng)設(shè)計采用均布三臂回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu) ,其機械手的主要動作歸納為手臂的升降、吸盤的吸附與松開、機座的旋轉(zhuǎn) ,這 3 個動作分別由升降氣缸、吸盤和雙作用氣缸來完成 ;其次 ,采用換向閥來實現(xiàn)動作的交替變化。氣動回路系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。收稿日期 :2006210213作者簡介 :聶陶蓀 (1946 ) ,男 ,江西南昌人 ,教授 ,主要從事機電一體化方面的研究與教學(xué)工作。真空吸盤的吸附動作由真空發(fā)生器和二位二通閥控制 ,升降手臂由三位四通閥控制 ,機座旋轉(zhuǎn)通過雙作用氣缸的動作由三位四通閥控制 ,整個回路都采用行程開關(guān)控制信號。氣源經(jīng)空氣過濾器、減壓閥處理后 ,通過相應(yīng)的電磁換向閥進(jìn)入各個氣動執(zhí)行元件。電磁換向閥 2YA、 4YA、 6YA 通電時機械手手臂下降 ,吸盤對墻地磚進(jìn)行吸附動作 ;電磁閥 1YA、 3YA、 5YA 在機械手完成吸附動作后通電 ,機械手手臂上升。此時根據(jù)所吸附的墻地磚被檢測出的等級 (合格或者不合格 ) ,對合格品電磁閥 10YA 通電手臂左轉(zhuǎn)到達(dá)其碼垛位子 ,對不合格品電磁閥 11YA 通電手臂右轉(zhuǎn)到達(dá)其碼垛位子。然后電磁閥 2YA、 4YA、 6YA 通電手臂下562007 年第 5 期 液壓與氣動降 ,最后電磁換向閥 7YA、 8YA、 9YA 通電 ,吸盤內(nèi)被注入 空氣真空杯破壞從而釋放墻地磚。需要說明的是 1次分選只有 1 支手臂動作 ,其余手臂上的電磁換向閥不通電 ,手臂只有旋轉(zhuǎn)動作而沒有升降動作。圖 2 氣動回路系統(tǒng)原理圖3. 2 機械手腕部氣動回路設(shè)計其工作原理如圖 3 所示。在該機械手系統(tǒng)中 ,其具體的執(zhí)行部分就是機械手的腕部 ,設(shè)計中考慮到所分選的工件是墻地磚 ,因而選用氣吸式手腕 ,采用真空吸盤吸附墻地磚。當(dāng)供氣閥 12 電磁鐵通電時 ,供氣閥氣路導(dǎo)通。凈化后的壓縮空氣經(jīng)供氣閥 12、真空發(fā)生器 13、消聲器 14 向外噴射。因真空發(fā)生器的最小噴管喉部直徑很小 ,故設(shè)置了冷凍式干燥器 2和空氣過濾器 3 進(jìn)行除水、除油、除塵 ,以保證空氣凈化度。當(dāng)真空破壞閥 5 通電時 , 壓縮空氣經(jīng)真空破壞閥 5、節(jié)流閥 6 進(jìn)入吸盤 ,從而破壞了吸盤內(nèi)的真空狀態(tài) ,使工件脫離吸盤。真空系統(tǒng)中的節(jié)流閥 6用于控制真空破壞的快慢 ,節(jié)流閥出口的壓力不得高于 0. 5 MPa ,以保護(hù)真空壓力開關(guān) 7 和過濾器 8。圖中真空壓力開關(guān) 7 用于檢測真空壓力的大小。當(dāng)真空壓力未達(dá)到設(shè)定值時 ,開關(guān)處于斷開狀態(tài) ;當(dāng)真空壓力達(dá)到設(shè)定值時 ,開關(guān)處于接通狀態(tài) ,發(fā)出電信號指揮真空吸附機構(gòu)動作。若真空系統(tǒng)有泄漏 ,或其他原因影響到真空壓力大小時 ,裝上真空壓力開關(guān)可保證真空系統(tǒng)安全可靠工作 ,以避免吸著不穩(wěn)定。單向閥 15 的作用 :一是當(dāng)供氣閥 12 停止供氣時 ,保持吸盤內(nèi)的真空壓力不變 ,可節(jié)省能量 ;二是一旦停電 ,可延緩吸吊工件脫落的時間 ,以便采取安全對策即斷電保護(hù)。真空發(fā)生器的排氣口安裝有消聲器 ,不僅可以降低噪聲 ,而且能起過濾作用 ,以提高真空系統(tǒng)工作的可靠性。1.氣源 2.冷凍式干燥器 3.空氣過濾器 4.減壓閥 5.真空破壞閥6.節(jié)流閥 7.真空壓力開關(guān) 8.過濾器 9.真空表 10.真空吸盤11.被吸吊物 12.供氣閥 13.真空發(fā)生器 14.消聲器 15.單向閥圖 3 真空吸附原理圖3. 3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計通常 ,機械手控制系統(tǒng)主要采用以下 3 種方式 :一是繼電器控制系統(tǒng) ;二是 PLC 控制系統(tǒng) ;三是微機控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、控制方式不靈活及功率消耗大等缺點 ,目前已逐漸被人們所淘汰 ;微機控制系統(tǒng)雖然在智能控制方面有較強大的功能 ,但也存在一定的不足之處 ,即抗干擾性差 ,一般維修人員難以掌握其維修技術(shù) ;而 PLC 控制系統(tǒng)是目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最廣泛的控制方式 ,由于其運行可靠、使用維修方便、抗干擾性強等優(yōu)越性 ,以及具有功能完備、操作簡便等優(yōu)點 ,本機械手控制系統(tǒng)采用這種控制方式。為了保證機械手能夠準(zhǔn)確取磚 ,手臂上裝有接近開關(guān) ,當(dāng)接近開關(guān)感應(yīng)到墻地磚時 ,向 PLC提供信號再由 PLC 根據(jù)檢測信號發(fā)出機械手的動作命令指引機械手的動作。機械手的工作流程圖如圖 4所示。在上位機的不同信號下 ,機械手做出不同的動作 ,簡而言之就是機械手對優(yōu)等品無動作 ,對合格品取磚后左轉(zhuǎn) 120 ,對不合格品右轉(zhuǎn) 120 ,到達(dá)指定位置卸磚同時離合器動作 ,下主軸迅速歸位準(zhǔn)備下一次動作。根據(jù)機械手的功能要求 ,機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計成單級式以實現(xiàn)對機械手驅(qū)動器件的控制。根據(jù)工藝要求、控制功能等綜合考慮 ,本系統(tǒng)選用某公司 3. 5 FX2N248MR 微型 PLC ,其輸入點為 24 點 ,該系統(tǒng)除了開關(guān)量的輸入、輸出外 ,沒有其他方面的要求。根據(jù)機械手的氣動系統(tǒng)原理及電磁鐵的動作表可以確定輸入點數(shù)為 11個 ,其中行程開關(guān) 9個 ,接近開關(guān) 1個 ,操作66 液壓與氣動 2007 年第 5 期圖 4 機械手工作流程按鈕 1 個 ;輸出點數(shù)為 14 個 ,其中電磁鐵 11 個 ,電源指示燈 1 個 ,機械手手臂原限位指示燈 2 個。 PLC 控制系統(tǒng)的賦值如表 1 所示。表 1 PLC控制系統(tǒng)的賦值表操作數(shù) 符號標(biāo)志 注釋10. 0 1YA 手臂原位 a010. 1 2YA 手臂限位 a110. 2 3YA 手臂原位 b010. 3 4YA 手臂限位 b110. 4 5YA 手臂原位 c010. 5 6YA 手臂限位 c110. 6 SQ 接近開關(guān)11. 0 7YA 上位機信號 1操作數(shù) 符號標(biāo)志 注釋11. 1 8YA 上位機信號 211. 2 9YA 上位機信號 312. 0 SP 雙作用缸原位 d012. 1 10YA 雙作用缸限位 d112. 3 11YA 雙作用缸限位 d2Q4. 0 LEI 電源指示燈Q4. 1 LE2 手臂原位指示燈Q4. 2 LE3 手臂限位指示燈為增強本程序的可讀性及簡化程序 ,整個軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu) ,以方便指令中的 IST 狀態(tài)初始化指令來進(jìn)行設(shè)計?？傑浖到y(tǒng)包括初始化電路、故障報警程序、點動操作程序、歸位程序及自動操作程序五大模塊構(gòu)成 ,分別解決單個問題 ,然后再進(jìn)行綜合。其系統(tǒng)模塊圖如圖 5。其中歸位程序是機械手在工作中突然斷電后來點按下歸位按鈕可以使機械手自動返回原點。圖 5 系統(tǒng)模塊圖4 結(jié)論機械手則是接受來自檢測生產(chǎn)線中央控制器的分選信息實現(xiàn)不同級別產(chǎn)品碼垛的搬運設(shè)備。其總體設(shè)計是采用由 PLC 控制器控制的氣動回轉(zhuǎn)式均布三臂機械手 ,執(zhí)行系統(tǒng)采用具有斷電保護(hù)的真空吸盤的吸附方式 ,機械手在結(jié)構(gòu)上可以完成墻地磚的吸附、搬運、碼垛的工作 ,具有效率高、工作可靠、新穎的特點。該機械手在墻地磚分檢生產(chǎn)線上的應(yīng)用可以保證工作的連續(xù)性并提高生產(chǎn)效率?？删幊炭刂破髯鳛檫\動控制 ,PLC控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 ,把整個設(shè)計任務(wù)按各自的功能分成多個互相獨立的模塊 ,每個模塊都有特定的功能 ,有自己的信息入口和信息出口 ,可在不必了解模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)時就能方便的應(yīng)用。具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強等特點。參考文獻(xiàn) :1 聶陶蓀 ,等 . 墻地磚表面平整度自動連續(xù)檢測技術(shù) J .北京 :中國陶瓷工業(yè) ,2004(2) .2 SMC(中國 )有限公司 . 現(xiàn)代實用氣動技術(shù) M.北京 :機械工業(yè)出版社 ,1998.3 田玲 . 氣動組合臺真空吸附機械手系統(tǒng)設(shè)計 J .真空 ,2001 (5) .4 袁任光 . 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實例 M.廣州 :華南理工大學(xué)出版社 ,2003.5 CB/ T3810. 2 - 1999 ,陶瓷試驗方法 :第三部分 :尺寸和表面質(zhì)量的檢驗 S.6 CB/ T4100. 1 - 1999 ,干壓陶瓷磚 S.7 Cristina E. Costa , Maria Petrou. Automatic registration of ce2ramic tiles for the purpose of fault detectionJ . Machine Visionand Applications , 2000 ,11(5) .(上接第 64 頁 )不給動作時 ,液壓缸上腔油管也有壓力 ,因此我初步判定 :做上一工作循環(huán)的最后一個動作落鉤時 ,落鉤換向閥閥