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摘要：剪切機用機械手的設計過程，它包括了對于整個系統的工作要求和情況的分析，通過系統的工作過程確定整個液壓系統的結構設計。分析整個循環過程確定系統工作原理圖，根據系統參數要求選擇標準的液壓元件，完成液壓系統的裝配圖。本文所設計的數控機床控制系統采用PLC代替了傳統的繼電器控制完成自動控制，從而使機床控制結構更加緊湊，功能豐富，提升了可靠性和響應速度。

前言

液壓技術是一門相對發展較晚的技術，主要應用在反應快、動作準確的自動控制系統中。隨著原子能、空間技術、計算機技術的發展,液壓技術以滲透到各個工業領域中,并開始向高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、低能耗、經久耐用、高度集成化等方向發展。與此同時,電液控制系統控制策略也在不斷發展。多年來,從傳統的PID控制、自適應控制到變結構控制、魯棒控制、智能控制等諸多新穎的控制手段中得到不斷發展和完善。

目前，國外已經研制和生產了各種不同的標準組件，而中國作為未來工業機器人的主要生產國，標準化的過程是發展趨勢。中國制造業面臨著向高端轉變，承接國際先進制造、參與國際分工的巨大挑戰。加快工業機器人技術的研究開發與生產是中國抓住這個歷史機遇的主要途徑。因此我國工業機器人產業發展要進一步落實：第一，工業機器人技術是我國由制造大國向制造強國轉變的主要手段和途徑，政府要對國產工業機器人有更多的政策與經濟支持，參考國外先進經驗，加大技術投入與改造；第二，在國家的科技發展計劃中，應該繼續對智能機器人研究開發與應用給予大力支持，形成產品和自動化制造裝備同步協調的新局面；第三，部分國產工業機器人質量已經與國外相當，企業采購工業機器人時不要盲目進口，應該綜合評估，立足國產。智能化、仿生化是工業機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術不斷發展，實驗室產品越來越多的產品化，逐步應用於各個場合。伴隨移動互聯網、物聯網的發展，多傳感器、分布式控制的精密型工業機器人將會越來越多，逐步滲透制造業的方方面面，并且由制造實施型向服務型轉化。

隨著大規模集成電路和微處理機技術的發展和應用。上述控制技術也發生了根本變化。在70年代出現了用軟件手段來實現各種控制功能，以微處理器為核心的新興工業控制器——可編程程序控制器（PLC）。這種期間完全能夠適應惡劣的工業環境，由于它兼備了計算機控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優點，故目前世界各國將其作為一種標準化通用設備普遍應用于工業控制。

1.剪切機功能結構

本液壓剪切機主要用于板料的剪切加工。其主機由送料機構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動。各工作機構行程上布置有電氣行程開關csoi～sos)，用來發信并與PLC共同實現自動控制。

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

剪切機進入工作狀態前，物料放在送料帶上，然后啟動液壓系統并升壓到工作壓力后，開動送料機構，向前輸送物料，當物料送至規定的剪切長度時壓下行程開關SQI發信，使送料機構停止，壓塊由液壓缸帶動下落，從而接通行程開關SQ2。當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s04接通。剪刀切斷物料后，物料下落，行程開關SQI復位斷開。每落一塊板料到料架上，sos接通一次，計一次數。與此同時，壓塊和剪刀分別回程復位，即完成一次自動工作循環。然后自動重復上述過程，實現剪切機的工作過程自動控制。

2.液壓系統設計

2.1液壓回路的選擇

確定液壓執行元件以后，根據設備的共組特點和工作要求確定對主要性能起決定性影響的主要回路，機械手液壓系統主要有針對伸縮運動，升降運動和回轉運動的三個主要運動回路。

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。同時注意：a.盡量簡化系統機構，減少不必要的液壓元件使用；b.保證整個液壓系統運動動作的可靠，安全，沒有元件與機構之間的相互干涉問題的存在；c.盡可能的去提高系統的工作效率，減少不必要的功耗的浪費；d.盡可能采用標準通用的液壓元件。

2.3驅動設計要求

1）滿足工業機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統發訊號控制相應的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現。

2）機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩靈活，動作快捷，定位準確，工作協調；

3）控制系統設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動時間要求。

本次設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優點：

1）液壓傳動能在運行中實行無極調速，調速方便且調速范圍比較大；

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，結構緊湊，而且能傳遞較大的力或轉矩

3）液壓傳動工作比較平穩，反應快，沖擊小，能高速啟動、制動和換向。液壓傳動裝置的換向，回轉運動每分可達500次

4）液壓傳動裝置的控制、調節比較簡單，操縱比較方便、省力，易于實現自動化，與電氣控制配合使用，能實現復雜的順序動作和遠程控制

5）液壓傳動裝置易于實現過載保護，系統超負荷，油液經溢流閥回油箱。由于采用油液作工作介質，能自行潤滑，所以壽命比較長

6）液壓傳動易于實現系列化、標準化、通用化，利于設計，制造和推廣使用

7）液壓傳動易于實現回轉、直線運動，且元件排列布置靈活

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

3.PLC選型

選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能價格比。

（1）結構選擇

PLC主要有整體式和模塊式。

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

模塊式PLC：模塊式PLC功能擴展靈活方便。在點數上，輸入點數，輸出點數的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復雜的控制系統。

對于組合機床，選用整體式PLC較好。

（2）I/O點選取原則

PLC平均的I/O點價格比較高，因此應該合理選用PLC的I/O點數量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定余量。通常I/O點數是根據被控制對象的輸入輸出信號的實際需要，再加上10%-20%的余量來確定。

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

電控制系統有輸出信號27個，其中電磁閥16個，六臺電動機的接觸器和5個指示燈。根據I/O點數的選取原則考慮10%-20%的I/O點數余量輸入點數可選取46-50個輸出點數可選取29-33個。

（3）確定PLC機型及擴展模塊。

根據（1）（2）及實際PLC機型點數，選用FX2N-64MR主機和一個16點的輸入擴展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點（32+16）。輸出點就是主機的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，給出相應的地址和名稱，以備軟件編程和系統調試時使用的一種表。由本設計可知控制電路中的按鈕，行程開關，檢測元件等觸點都屬于PLC的輸入設備，PLC的輸出控制對象主要是控制電路中的執行元件，本設計主要是接觸器，電磁閥，指示燈。根據電控系統的輸入輸出信號表知：

1輸入元件數量

行程開關12個

按鈕24個

選擇開關1個

檢測元件5個

2輸出元件數量

電磁閥16個

接觸器6個

指示燈5個

根據本設計選用的PLC機型，將輸入輸出元件分配到PLC的輸入輸出接口。

4.PLC控制系統軟件設計

根據本設計的控制與工藝要求，按液壓剪切機的動作順序及每步所完成的任務，可得工作循環流程。

本液壓剪切機的PLC控制設有手動和自動兩種工作方式，調試時用手動方式，連續生產時用自動方式。當工作方式開關置于手動時，可通過操作臺面板上相應的按鈕開關運行某道工序；當工作方式開關設置為自動時，則由PLC軟件支持實現自動工作循環并可對意外故障人工干預，緊急停機。

為了節省輸入接點，以利根據需要拓展功能，將手動與自動同一操作的發信元件接到PLC的同一輸入接點上。在自動工作方式時，通過手／自動轉換開關S及軟件控制的PLC內部輔助繼電器，可使手動操作不起作用。

5.設計PLC控制系統狀態轉移圖與梯形圖程序

狀態轉移圖，它是完整地描述控制系統的工作過程，功能和特性的一種圖形，是分析和設計電路系統控制程序的重要工具。本設計的狀態轉移圖按下列幾步進行的

1按液壓剪切機的控制要求與加工工藝畫出狀態轉移圖。

2在畫出的狀態轉移圖上以PLC輸入點或其他元件定義狀態轉換條件。

3按照電控系統提供的電氣執行元件功能表，在狀態流程圖上對每個狀態和動作命令配畫上實現該狀態或動作命令的控制功能的電氣執行元件，并以對應的PLC輸出點的編號定義這些電氣執行元件。

由狀態轉移圖易的相應的梯形圖程序，它們二者是一一對應關系，梯形圖程序請見圖1

圖1PLC控制系統梯形圖程序

6.結論

在實際的生產中，為了提高生產率，減少勞動強度，液壓裝置也就被廣泛地用于工業生產中，它可以無疲勞地進行重復的動作。PLC作為新一代的工業控制裝置，具有開發柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強等特點，用它來控制四工位組合機床這樣復雜的生產設備，是理想的選擇。PLC的采用，降低了機床的故障率，節省了大量的維修費用，提高了整機的可靠性，保證了工件的精度要求