数控车床的上下料机械手臂的研究
摘要： 以数控车床的上下料机械手臂为研究对象， 采用可编程控制器 （PLC ） 对其气压
的驱动装置进行电气控制， 实现了系统的智能化和柔性化。对系统的工作原理及机械结构、气
压驱动和 PLC 控制方案等方面进行了较为详尽的论述。
关键词 ：自动化上下装料； PLC; 气压系统；
随着现代工业自动化的发展， 出现了各种数控加工中心， 它在减轻工人劳动强度的同时， 大
大提高了劳动生产率。但以往数控加工中常见的上下料工序， 通常仍采用人工操作或传统继电
器控制的半自动化装置。前者费时费工， 效率比较低；后者因设计复杂， 需较多继电器， 接
线繁杂， 易受车体振动干扰， 而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。为解决这些问
题， 我们研究开发了一套采用可编程序控制器 PLC 控制的装料机械控制系统。该系统动作简
单可靠、线路设计实用合理、具有极强的抗干扰能力， 保证了系统运行的可靠性， 降低了维
修率， 并提高了工作效率。
一、系统工作原理
如图 1 所示， 本系统的上下料机械手采用料斗， 搬运和上下料组件的整体结构， 这种料斗可
通过调节通道尺寸变动料件的规格， 具有结构紧凑、运动平稳准确的特点， 可以方便地实现
无级调速。本设备抓取工件质量可达 1kg, 工作范围为横向 1m、纵向 0.9m, 并且可以调节距离
范围。
系统开机启动时， 先进行自检， 若机器正常， 则机械手处于待料位置， 泵站电机处于卸荷状
→态。当加工开始信号传来时， 机械手臂开始动作， 其具体行动过程如下：原始位置 机械臂
→ → → 伸出 开关发出料到位信号 真空吸盘松开 （放料） 尾架合拢 （同时卡盘夹紧工件， 机床
→ → → → →开始加工） 托爪退出 送料架升起托爪复位 加工结束（主轴动力脱开， 刹车进入）
→ → → →机械手进入取工件 机械手真空吸盘吸住工件 尾架刹车退出 机械手将工件拔出 机械手将
→ → → 工件取出 机械手把工件搬运到下一工位 机械手真空吸盘松开工件 机械手复位， 系统原位
卸荷。[1]
二、系统结构组成
机械手的整个系统主要由控制系统、驱动系统和执行系统三部分组成。
控制系统主要包括：位置检测装置、可编程控制器、主控柜及主控面板（状态显示和操作按
钮）. 驱动系统采用全气压驱动， 该系统可以实现机械上下料的自动运行、手动调节， 同时保
证了整机动作迅速、平稳， 特别是满足了机械手的动作位置精度、需承受大负载强度及运动性
能等方面的特殊要求。
执行系统由升降机构、回转机构、手臂伸缩机构、吸盘夹持机构、定位机构等组成， 整体为摆
动关节结构。与传统的上下料机械手不同的是：该系统采用了具有两个夹持结构的手臂设计，
一个负责上料， 一个负责下料 （图 1 ）, 在其中一夹持机构卸料后， 另一夹持机构搬运工件至
下一个工位， 在上下料之间机械手臂往返各一次，与传统的往返各两次比较， 更加节省时
间， 效率更高。
三、系统软硬件的设计
整个机械手的控制， 是通过向系统提供符合要求的开关信号来实现的。具体地讲，就是按机
械手的动作要求，PLC 通过信号采集、控制气压系统的电磁换向阀的通断电， 实现装置的自
动或手动上下料。系统的硬件主要由机械本体、气压驱动系统、PLC 控制系统组成，软件系
统主要通过 PLC 的编程实现。
（一） 气压驱动系统
