基于PLC的翻轉機控制系統設計

張陳 楊龍興 劉凱磊 張衛平 施曉芳

摘 要：文中給出一種用于自動沖壓生產線五金板材翻轉的設計方案，該翻轉機主要由夾持和翻轉兩部分組成。夾持部分由伸縮氣缸、上下蓋板和定位塊組成;翻轉部分由步進電機、減速機、聯軸器和夾持部分支架組成?？刂葡到y硬件由三菱FX3U-64MT PLC、觸摸屏GOT1155、步進電機驅動器及若干檢測開關構成，并且還具有內部和外部兩種控制模式。外部模式時，由外部控制器通過I/O信號控制翻轉臺動作;內部模式時，可通過按鈕或物料檢測開關來控制翻轉臺。驗證結果表明每3 s可實現1個板材的翻轉節拍。

關鍵詞：翻轉機;控制系統;外部控制器;步進電機;檢測開關;結構設計

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-0-03

0 引 言

在運輸和加工過程中經常需要對零件進行翻轉，傳統方法一般采用天車實現翻轉，這種吊裝式翻轉方法對于粗糙的大型構件比較適用，而對于精度要求高、外形特殊的構件，常常需要設計滿足特定要求的翻轉機。在沖壓場合中，工件沖壓完成常需要將上下表面翻轉，送入下一沖壓工序進行沖壓。傳統沖壓生產由人工手動翻轉，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線逐漸代替傳統翻轉方式。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;對于采用五自由度非標機器人，則需借助臨時承料臺實現工件翻轉和轉移;對于采用四自由度非標機器人，可由兩個非標機器人和一臺翻轉機配合完成。本文針對采用四自由度非標機器人的翻轉機系統進行設計。

1 機械結構設計

1.1 翻轉要求

首先由機器人將工件放置于翻轉機的承料臺上，翻轉機感應到工件，然后進行翻轉，這樣就可實現被放置工件上下表面調換。要實現此要求，一般要求工件放置好后需要將工件夾緊，旋轉機構將其翻轉180°，夾緊機構松開。

1.2 結構設計

左右翻轉機的機械結構如圖1所示。整個機構主要由工件夾持機構、翻轉機構和支撐架三部分構成。其中，工件夾持機構主要由一個伸縮氣缸、鋁型材承料支架和多個定位塊構成;翻轉機構是由一臺配減速器的步進電機、膜片式聯軸器、軸承和轉動支撐板組成，其固定于轉動支撐板上，設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成，控制電箱放置于底箱內，三色報警指示燈固定于橫桿上。

2 控制設計

翻轉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，翻轉臺上蓋板由氣缸推動下移，使上下蓋板閉合，實現夾緊工件;

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

（3）取走物料，完成一次翻轉動作;

（4）再次放入物料，氣缸動作，上下蓋板閉合;

（5）翻轉臺逆時針翻轉180°;

（6）氣缸動作，上下蓋板打開。

在一個動作循環中，翻轉機可完成兩次翻轉。翻轉機復位后，放置工件的料架處于水平位置，自動運行過程中，反復執行上述動作步驟。

2.1 電氣控制構成框圖

整個系統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電機驅動器，分別實現氣缸的上、下蓋板的開與合以及上下蓋板的翻轉。

2.2 電氣原理圖

左右翻轉機控制原理如圖3所示。步進電機采用共陽極接法，即步進電機驅動器上，STEP+，DIR+，EN+端口和開關電源的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驅動三色指示燈的能力。以綠燈為例，Y010驅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

該翻轉機控制系統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、右翻轉和復位。自動模式分為外部和內部兩種控制模式：外部控制模式時，由外部控制器發出一個“啟動翻轉”的I/O信號，翻轉機動作，完成一次翻轉，上下蓋板打開后，通過I/O信號給外部控制器發出“翻轉完成”的信號，如此實現外部控制;內部控制模式時，可由物料有無信號或控制按鈕來控制翻轉臺翻轉。系統控制流程如圖4所示。

為提高系統運行的可靠性，系統程序設置了異常狀態監測，主要包括伸縮氣缸動作超時、翻轉臺翻轉動作超時、伸縮氣缸伸縮同時感應檢測異常、翻轉臺左右限位同時檢測異常以及急停異常等。系統出現異常時，即由三色報警燈和蜂鳴器提示，一般需要排除故障后，并再次復位后才能重新運行。

3 結 語

本文利用步進電機和伸縮氣缸實現的翻轉機，實現了五金板材工件的上下表面的調換，滿足了沖壓生產中需要工件表面翻轉的工藝要求，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雜度。調試結果顯示，該翻轉機具有成本低、動作速度快、運行穩定、可靠性高的優點，其最快的運行節拍可達到每個3 s。該翻轉機在自動化生產中具有廣闊的應用前景。

注：本文通訊作者為楊龍興。

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