單片機在產品輸送中的應用

曹金梅 東莞理工學院 機械工程學院 曾志彬 黃市生 吳國洪 東莞市橫瀝模具科技產業發展有限公司 李志峰 北京航天智造科技發展有限公司

0 前言

近年來，隨著工業自動化的不斷發展和用人成本的增加，企業生產中的上下料正向機械化、自動化轉型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業的特征正被相關企業應用到上下料的生產中，極大提高了生產效率。基于工業機械化和自動化的發展以及氣動技術自身的一些優點，氣動機械手已經廣泛應用在生產自動化的各個行業，機械手可用作夾持與搬運目標物體，但傳統的機械手占空間面積較大，兼容性差，而由于自動上下料直接關系著數控機床的運行質量和數控機床運轉的效率，故對于有些設備而言，在后續生產安排中需要增加設置機械手替代人工上下料，往往因為空間不足和控制程序的固定性而增加很大難度。

針對以上問題，本文提出了單片機在產品輸送中的應用方案，大致為利用四個氣缸的協同配合，即不同時間內控制不同氣缸的開閉來達到多方面的協作的效果，并通過齒輪與齒條、導軌與滑塊的傳動方式，實現氣爪從上料位到工作位的移動，夾持目標物體，以Arduino控制器作為處理中心，光電開關作為主要傳感器，控制氣爪夾持目標物體并從上料位移動到工作位，完全實現了利用機械手上下料的一系列過程。相比以上所提到的機械手，本文所述的一種自動上下料的機械手面積適中，兼容性好，有效地提高了數控機床的運行質量和運行效率。下文將具體從機構設計方面與控制系統方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

本文所設計的單片機在產品輸送中的應用方案，由驅動件氣缸、各連接組件、各類傳動件、氣爪和限位件組成。其中，將旋轉座設置于立柱的上方，并通過螺栓連接。可旋轉的兩個軸承設置于旋轉座內，并通過外卡簧限位。齒輪設置在轉軸中，轉軸設置于軸承中，利用卡簧限位。滑塊安裝板設置于旋轉座側面，并通過螺栓連接。滑塊導軌Ⅰ設置于滑塊安裝板中，并通過螺栓連接，其中，滑塊設置于滑塊安裝板下方，導軌設置于齒條底面，齒條與浮動鈑金連接，氣缸Ⅰ設置于滑塊安裝板上方，并通過螺栓連接。氣缸Ⅰ末端與浮動接頭Ⅰ連接，浮動接頭Ⅰ與浮動鈑金配合連接。通過齒條與齒輪配合傳動，實現水平直線運動轉換成旋轉運動。

鎖塊設置于轉軸一端，并通過螺栓連接，懸臂板設置于鎖塊前方，通過定位銷定位固定，并通過螺栓連接。加強板設置于懸臂板上，與懸臂板、鎖塊兩兩垂直，并通過螺栓連接。氣缸Ⅱ設置于懸臂板背面，并通過螺栓連接，兩滑塊導軌Ⅱ設置于懸臂板正面，并通過螺栓連接，通過導軌與滑塊的傳動方式，實現機械手的X軸移動。Z軸安裝板設置于滑塊導軌Ⅰ上，并通過螺栓連接，Z軸氣缸安裝板、滑塊導軌Ⅱ設置于Z軸安裝板上，并通過螺栓連接。氣缸Ⅲ設置于Z軸氣缸安裝板上，并通過螺栓連接，氣缸Ⅲ末端與浮動接頭Ⅱ連接。Z軸運動板設置于滑塊導軌Ⅱ的導軌上，并通過螺栓連接，浮動塊Ⅱ與Z軸運動板連接，并通過螺栓連接，浮動塊Ⅱ與浮動接頭Ⅱ配合運動，通過導軌與滑塊的傳動方式，實現機械手的Z軸移動。氣缸Ⅳ設置于Z軸運動板上，并通過螺栓連接，夾爪設置于氣缸Ⅳ，并通過螺栓連接，光電開關設置于夾爪內，并通過螺紋連接。膠塊設置于夾爪上，并通過螺栓連接。當夾持目標物體時，氣缸Ⅰ的末端與齒條連接，通過齒條齒輪的傳動方式，實現機械手繞X軸旋轉；氣缸Ⅱ的滑塊與Z軸安裝板連接，通過導軌與滑塊的傳動方式，實現機械手的X軸移動；氣缸Ⅲ的末端與Z軸運動板連接，通過導軌與滑塊的傳動方式，實現機械手的Z軸移動；夾爪與Z軸運動板的末端連接；夾爪夾取目標物體后，結合三個氣缸的協同動作，夾爪繞X軸由上料位旋轉到與數控機床主軸水平的位置，進一步的，夾爪沿Z軸方向由數控機床主軸水平的位置移到數控機床主軸正前方，再進一步的，夾爪沿X軸方向由數控機床主軸正前方移到目標物體的加工位，實現把目標物體從上料位運送到加工位，最后結合各氣缸的順序復位，實現目標物體的全自動上下料。

通過這個硬件平臺的設計，上下料的機械手結構簡單穩定，通過四個氣缸不同時間段內的開合，以及齒輪齒條、導軌滑塊的配合使用，可以實現多種夾持方式和，即包括物件的遠近、物件的大小等，硬件平臺容易購買和搭建，當自動上下料機械手故障時，只需調整或維修機械手而不會影響機床的正常運轉，便于維護。

2 控制系統搭建

系統的運行方式為：以Arduino控制器作為處理中心，繼電器為控制器，光電開關和磁性開關作為感應器，氣爪作為執行元件。Arduino控制器按指令通過繼電器控制五位三通電磁閥，改變進出氣的方向，進而控制氣爪張開與閉合以及機械手的移動。Arduino控制器采集光電開關的觸發信息，進而通過繼電器對控制向下移動氣缸的電磁閥發出信號，當氣爪到達上料位時，磁性開關將被觸發，Arduino控制器將感應到磁性開關的電信號變化，從而通過繼電器控制電磁閥對氣爪發出閉合的信號；Arduino控制器采集磁性開關的電信號，按特定順序依次向各氣缸發出電信號，以實現機械手從上料位到工作位的功能；Arduino控制器按特定順序依次向各氣缸發出電信號，令各氣缸依次離開工作位，以達到全自動上下料的目的。總的來說就是光電開關和磁性開關傳感器所采集到的光信號以及電信號都會被采集回來到Arduino控制器中，然后經過信號放大、脈沖輸出等信號處理以及程序調控，最終對執行元件氣爪給出相關的指令，使得機械手能夠實現上下料的功能。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據功能的要求對機械手進行了結構設計；第二，根據上下料的功能要求搭建了控制系統。機械氣爪的張開與閉合動作采用電磁閥改變進出氣的方向進而控制氣缸前進方向來實現，同時機械手從上料位到工作位的移動也是采用電磁閥改變進出氣的方向進而控制氣缸前進方向來實現，與之配套的傳動方式采用了齒輪與齒條、導軌與滑塊的方式，全自動上下料的功能通過Arduino控制器+光電開關傳感器來實現，并且添加磁性開關保證整個運行過程的安全性。