自動(dòng)化生產(chǎn)線碼垛搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究

黃婉嫻

摘 要：搬運(yùn)機(jī)械手在自動(dòng)化生產(chǎn)線上是一個(gè)重要的自動(dòng)化裝置，本文針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化程度低、成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)化程度較高且動(dòng)作簡單的產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)線碼垛搬運(yùn)機(jī)械手。介紹了機(jī)械手整體設(shè)計(jì)、以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可為企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線；機(jī)械手；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手已成為工業(yè)生產(chǎn)中重要的工具，由于其具有穩(wěn)定性高、操作簡單和高效率等特點(diǎn)，因此得到了廣泛地應(yīng)用。然而，目前現(xiàn)有的生產(chǎn)線產(chǎn)品生產(chǎn)普遍存在著自動(dòng)化程度低、成本高及路徑復(fù)雜等問題，因此，研究更為簡易、且自動(dòng)化程度較高的碼垛搬運(yùn)機(jī)械手是很有必要的。基于此，本文結(jié)合現(xiàn)有的多自由度坐標(biāo)系機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種新型的碼垛搬運(yùn)機(jī)械手，以適應(yīng)現(xiàn)代化快速生產(chǎn)的需求和提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1.自動(dòng)化生產(chǎn)線流水線分析

自動(dòng)化生產(chǎn)線碼垛機(jī)械手整體流水作業(yè)主要由左、右機(jī)械手和檢測柜組成。機(jī)械手主要安裝在傳輸線兩側(cè)，左側(cè)作用是將傳輸線上產(chǎn)品抓取并放入檢測柜的每一層中，右側(cè)機(jī)械手平臺(tái)主要是將檢測完成的產(chǎn)品取出并放入傳輸線。其次，產(chǎn)品檢測柜平臺(tái)，主要組成有多層架構(gòu)、產(chǎn)品檢測儀。其作用是將傳輸線上傳送過來的待檢產(chǎn)品進(jìn)行檢測。而多層架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快速擺放并進(jìn)行檢測，提高檢測和抓取效率[1]。

2.機(jī)械手整體設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)械手是一種直角坐標(biāo)式機(jī)械手，主要作用是將待檢測的產(chǎn)品從傳輸線上抓取、升起、移動(dòng)、下降、松開，然后放入另一條傳輸線上并進(jìn)行下一個(gè)工位[2]。

直角坐標(biāo)式機(jī)械手主要由支架、Y方向的移動(dòng)臂、Z方向的升降臂、末端吸盤以及電機(jī)組成。

Y方向移動(dòng)是靠導(dǎo)軌系統(tǒng)完成的，雙側(cè)龍門式支架兩側(cè)安裝有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌、齒條與龍門式支架的底座固定，滑塊與碼垛機(jī)械手相固定，而減速器及齒輪固定在機(jī)械手Y方向移動(dòng)臂上，通過伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)在滑塊上運(yùn)行，從而完成Y方向前進(jìn)后退動(dòng)作，伺服電機(jī)精確控制滑塊移動(dòng)行程，以此來實(shí)現(xiàn)精確定位和移動(dòng)。同理，在X、Z方向上移動(dòng)是靠滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，伺服電機(jī)精確控制滾珠絲杠的行程，從而完成X、Z方向前后、升降動(dòng)作的精確定位和移動(dòng)。

導(dǎo)軌即滑軌，通常為線性的，設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用于機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)中，主要作用是帶動(dòng)機(jī)械手本體在輥道與堆放支架之間的直線運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)行過程具有承載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)無抖動(dòng)、運(yùn)行頻率高、定位精度高等特點(diǎn)，相比直線軸承，導(dǎo)軌能承載更高的載荷，并且能分擔(dān)一部分的扭矩，在高負(fù)載且對(duì)精度要求較高的直線運(yùn)動(dòng)中有無可比擬的優(yōu)勢。

機(jī)械手末端吸盤臂的作用是將碼垛產(chǎn)品有效的吸附，吸盤臂制作材料采用鋁合金，利用鋁合金材料的特性，既保證了吸盤臂的剛度，同時(shí)又可以降低吸盤臂的自身重量。考慮到成本及技術(shù)成熟問題，吸盤臂抬起采用氣缸驅(qū)動(dòng)，采用的氣壓傳動(dòng)好處在于控制系統(tǒng)快速做出反應(yīng)，能量損失小，性價(jià)比高。氣缸缸徑為50mm，最大行程為200mm。

2.2氣缸的選型

機(jī)械手整體裝置參數(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，首先氣缸作為氣動(dòng)控制回路系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，本文設(shè)計(jì)中采用直線運(yùn)動(dòng)類型氣缸。根據(jù)碼垛產(chǎn)品平均的尺寸和重量，計(jì)算氣缸參數(shù)如下：氣缸采用類型為：SC32X25，缸徑75mm，最大行程300mm。

2.3氣動(dòng)元器件的選型

本文設(shè)計(jì)碼垛搬運(yùn)機(jī)械手所選用末端執(zhí)行裝置氣動(dòng)回路中其他主要相關(guān)元器件型號(hào)分別如表1、表2所示。

2.4電器元件的選型

根據(jù)搬運(yùn)機(jī)械手各個(gè)部位及傳輸所需要的實(shí)際扭矩大小來確定電器元件詳細(xì)參數(shù)，數(shù)據(jù)如表2所示。

2.5末端吸盤力計(jì)算

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸盤臂上安裝1個(gè)吸盤，吸盤直徑為：

吸盤臂上的吸盤真空度P應(yīng)該取最大真空度pmax（即真空泵）的40%～60%之間，既保證了吸盤能夠吸附光伏玻璃，又能隨時(shí)控制吸盤松開。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械手流程控制要求

將待檢碼垛產(chǎn)品經(jīng)左側(cè)傳輸帶傳輸?shù)綑z測柜處，左側(cè)搬運(yùn)機(jī)械手將產(chǎn)品依次碼放在檢測柜的各層之間，待檢測完成后，右側(cè)碼垛機(jī)械手依次抓取存放在右側(cè)傳輸帶中進(jìn)入下一道工序繼續(xù)加工處理[3]。具體要求如下：

分揀工步要求：

（1）X、Y方向水平移動(dòng)情況：X方向移動(dòng)是靠導(dǎo)滾珠絲杠完成的，而Y方向移動(dòng)是靠導(dǎo)軌系統(tǒng)完成的，兩者都是由PLC脈沖輸出位置控制功能驅(qū)動(dòng)伺服放大器控制伺服電機(jī)精確定位。

（2）變頻調(diào)速：控制過程中采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，提供準(zhǔn)確的速度控制，便于控制機(jī)械臂前后、左右、上下運(yùn)動(dòng)。

（3）整個(gè)碼垛搬運(yùn)過程可以由兩種操作方式完成搬運(yùn)動(dòng)作：①自動(dòng)循環(huán)操作：按下啟動(dòng)按鈕，碼垛機(jī)械手按照人為設(shè)定的控制程序連續(xù)完成碼垛搬運(yùn)工作，直到按下停止按鈕，否則搬運(yùn)工作一直進(jìn)行；②手動(dòng)操作：在設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械臂末端吸盤吸附和松開、X方向的機(jī)械臂前后移動(dòng)、Y方向的機(jī)械臂左右移動(dòng)、Z機(jī)械臂升降等8個(gè)動(dòng)作步設(shè)置8個(gè)按鈕，分別控制碼垛搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。

（4）機(jī)械臂末端吸盤吸附和松開、X方向的機(jī)械臂前后移動(dòng)、Y方向的機(jī)械臂左右移動(dòng)、Z機(jī)械臂升降等運(yùn)動(dòng)都能實(shí)現(xiàn)精確定位，且每個(gè)動(dòng)作相互之間必須有互鎖作用；

（5）機(jī)械手末端吸盤的吸附、松開動(dòng)作所用的真空吸盤必須氣密性良好；

（6）步驟①、②動(dòng)作的完成時(shí)間分別為8s，12s；在碼垛機(jī)械手控制設(shè)計(jì)過程中，控制系統(tǒng)的主控器采用西門子S7-200CN標(biāo)準(zhǔn)型PLC。西門子S7-200CN的PLC具有豐富的CPU單元（8/14/16/24/40點(diǎn)型），為了以后的擴(kuò)展功能，我們選擇40點(diǎn)型；具有一個(gè)獨(dú)特的逆變器的簡單定位功能；程序的最高容量為5千步，數(shù)據(jù)容量高達(dá)18千字；脈沖輸出70kHz×2軸；最大2個(gè)串行通訊接口（RS232/RS485任選）；標(biāo)準(zhǔn)配置USB編程接口，支持FB和ST編程，液晶顯示選項(xiàng)板支持豐富的顯示/控制功能。變頻器采用FR-E700系列多功能通用變頻器，選用的變頻器型號(hào)為FR-E540-2.5K-CHT，容量范圍為三相400V；變頻器功率為2.2kW；用磁通矢量控制；實(shí)現(xiàn)1Hz運(yùn)行150%轉(zhuǎn)矩輸出；內(nèi)置RWM，實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行；內(nèi)置RS485通信口；輸出頻率：0.2～400Hz精度0.01%；高應(yīng)答電流限制機(jī)能，大幅減少過電流產(chǎn)生之跳機(jī)；全容量可連接直流電抗器，達(dá)到抑制高諧波的功能；通訊設(shè)備采用臺(tái)達(dá)RS-485通信擴(kuò)展板，型號(hào)為VFD-E。

3.2機(jī)械手主控電機(jī)電路設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

（1）電機(jī)SM101為機(jī)械手Y方向上的臂控制電機(jī)，外接伺服放大器MR-J3-200A，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)，控制過程中采用伺服控制、變頻器進(jìn)行調(diào)速，提供準(zhǔn)確的速度控制，便于控制機(jī)械臂X方向運(yùn)動(dòng)。

（2）電機(jī)SM102為機(jī)械手X方向上的臂控制電機(jī)，外接伺服放大器MR-J3-350A，利用伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在X方向上直線運(yùn)動(dòng)，控制過程中采用伺服控制、變頻器進(jìn)行調(diào)速，提供準(zhǔn)確的速度控制，便于控制機(jī)械臂X方向運(yùn)動(dòng)。

（3）同理，電機(jī)SM103Z方向（垂直方向）傳輸電機(jī)，它的主要作用就是帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，控制過程中采用伺服控制、變頻器進(jìn)行調(diào)速，提供準(zhǔn)確的速度控制，便于控制機(jī)械臂垂直方向運(yùn)動(dòng)。

（4）電機(jī)SM104為左右兩側(cè)傳輸線動(dòng)力源，用PLC直接控制接觸器接通或斷開電機(jī)傳動(dòng)，不同之處在于，它采用變頻器多速段控制模式，由變頻器RH、RM、RL三個(gè)端子分別接入PLC端口，然后分別設(shè)定高速，中速和低速。當(dāng)輥道上有產(chǎn)品傳送時(shí)，采用高速模式，快速將待檢產(chǎn)品傳送到工位；當(dāng)玻產(chǎn)品定位的時(shí)候采用中速模式，方便傳感器定位；當(dāng)輥道上產(chǎn)品取完時(shí)，采用低速模式，降低輥道機(jī)械磨損，提高設(shè)備使用壽命。

4.結(jié)論

總之，在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，需要一種搬運(yùn)機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化，但自動(dòng)化碼垛搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也具有一定的局限性，需要給予優(yōu)化與改進(jìn)。本文研制開發(fā)了一種直角坐標(biāo)式機(jī)械手的碼垛搬運(yùn)機(jī)械手，通過利用PLC技術(shù)和伺服控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制要求，其結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)測試表明：自動(dòng)化碼垛搬運(yùn)機(jī)械手在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的控制效果，有效降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，達(dá)到企業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫永亮. 基于柔性牽引的搬運(yùn)機(jī)械手研究[D]. 山東建筑大學(xué)， 2010.

[2] 李昶利. 全鋼子午線輪胎碼垛搬運(yùn)機(jī)械手的研究[D]. 青島科技大學(xué)， 2014.

[3] 胡岳. 復(fù)合地板搬運(yùn)機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[D]. 東北林業(yè)大學(xué)， 2015.