刘洪军
【摘 要】本文采用S7-200SMART作为主控制器，驱动三台伺服电机，并采用谐波减速机、高精密的滚珠丝杆以及线性导轨的紧密配合，设计了一种三轴冲压机器人，可以代替人工实现机床的自动上下料工作，降低了人工成本，大大提高了工作效率。
【关键词】三轴；上下料
0 引言
冲床在本质上就是一台冲压式压力机，冲压工艺与传统机械加工相比，具有节约材料和能源，效率高等优点，因此在机械加工生产中被广泛应用。目前我国大多数冲床的操作都是由人工完成，由于冲床具有速度快、压力大的特点，因此采用冲床作加工时具有一定的危险性，操作人员必须遵守相应的安全操作规程，以防止误操作，确保人身安全。
随着工业机器人技术的发展，使用机器人替代人工生产，成为安全生产、提高效率、节约人力的一种趋势[1]。本文设计的三轴冲压机器人就是根据冲压生产工艺的特点，专门为实现冲压自动化无人生产而研发的设备，能够取代人工在各个冲压工位上进行物料的上下料等工作。从而能确保安全产，并提高生产效率[2]。
1 硬件总体设计
三轴冲压机器人控制系统的主要组成部分包括控制系统主控板、伺服电机驱动器、伺服电机、电磁吸盘及启动停止按钮等组成，三轴冲压机器人的组织架构图如图1所示。
1.1 主控制器
主控制器采用S7-200SMART，这款控制器可以控制各种自動化应用，结构紧凑、成本低廉且具有功能强大的指令集，这使其成为控制小型应用的完美解决方案[3]。S7-200 SMART CPU模块本体直接提供三轴100KHZ高速脉冲输出，通过强大灵活的设置向导可组态为PWM输出或运动控制输出，为步进电机或伺服电机的速度和位置控制提供了统一的解决方案[4]，满足小型机械设备的精确定位需求。本文选用S7-200 SMART PLC，其具体型号为ST40，该型号PLC内部有三个轴可以配置，控制冲压机器人三个轴上的伺服电机，轴0控制横臂前后伸缩的X轴，轴1控制升降臂上下运动的Y轴，轴2控制旋转轴Z轴。
1.2 伺服电机驱动器及电机
本文设计的三轴冲压机器人三个轴上的伺服电机及其驱动器选用西门子SINAMICS V80伺服驱动系统，包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出[4]。
1.3 电磁吸盘
电磁吸盘是一种用电磁原理，通过使内部线圈通电产生磁力，将接触在面板表面的工件紧紧吸住的，通过线圈断电，磁力消失实现退磁，取下工件的原理而生产的一种机床附件产品。本文采用4个直流24V电磁吸盘安装在吸盘治具上，由控制系统PLC输出点控制电磁吸盘的得电与断电，从而可以实现5KG以内的产品的吸附搬运工作。
1.4 传动系统
传动部分通过滚珠丝杠、线性导轨以及同步带等设备将伺服电机的转动变成三个轴的伸缩、上下以及旋转摆动运动。传动系统的设计，主要包括主控制器以及X轴前后伸缩传动、Y轴上下传动和Z轴的旋转摆动传动设计。三轴冲压机器人外观图如图2所示：
2 软件总体设计
软件设计步骤如下：
（1）根据系统工作要求，配置三轴运动控制的初始化配置，为实现三轴运动的精确控制做好准备；（2）建立运动顺序功能图，把各种控制指令的动作顺序以及他们之间的联动控制等关系确定下来；（3）根据工作要求，把系统所有PLC控制的输入和输出信号定下来；（4）进行编程并调试
2.1 三轴运动控制的初始化配置
编程软件STEP 7-Micro/WIN SMART提供的位控向导可以很方便地完成PWM、PTO的组态。该向导可以生成位控指令，用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。运动控制向导可以提供三个轴脉冲输出的设置，脉冲速度从20HZ到100HZ可调。
2.2 运动控制顺序
三轴冲压机器人的主要功能是实现物料的上下料工作，其工作流程基本为：X轴伸出到位、Y轴上升到位、Z轴摆动到位、Y轴下降到位、电磁吸盘吸附物料、Y轴上升到位、Z轴回摆到位、Y轴下降到位、吸盘放下物料，这样完成一次物料的上下料工作。
3 结束语
本文设计的三轴冲压机器人，是一款可以代替人工实现机床自动上下料的自动化装置。它采用高精密的全伺服电机驱动，定位准确；采用进口谐波减速机、高精密的滚珠丝杆以及导轨的紧密配合，使得运行稳定、精准，而且耐磨性强，使用寿命强，可完成复杂的运动控制。随着机器人技术的发展和功能的不断完善，将会有越来越多的机器人进入工厂车间，替代人工，实现安全、高效率的自动化生产。
【参考文献】
[1]谭仲海.基于工业机器人的冲压自动上下料系统的设计[J].企业科技与发展，2015.10.
[2]徐丽春.自动上下料通用机械手系统设计与研究[J].液压与气动，2013.8.
[3]王学良.基于PLC的机械手自动上下料控制系统设计[J].智能控制技术，2016.2.
[4]向晓汉.S7-200SMART PLC完全精通教程[M].机械工业出版社，2013.8.endprint
