基于KeMotion系統(tǒng)的一種新型機(jī)械臂自動(dòng)取料氣夾裝置的開(kāi)發(fā)

葉坤煌

摘要：項(xiàng)目是在KeMotion系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種能自動(dòng)取料的氣夾裝置。其結(jié)構(gòu)主要由連接桿和真空吸盤(pán)構(gòu)成，各部件相互之間是采用螺栓進(jìn)行固定的，每個(gè)連接桿下方都安裝有相對(duì)應(yīng)的吸盤(pán)，并且通過(guò)其頂端的旋轉(zhuǎn)裝置器來(lái)完成轉(zhuǎn)動(dòng)連接功能的。在運(yùn)行狀態(tài)下吸盤(pán)的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)壓力，而這種負(fù)壓力也會(huì)產(chǎn)生一定的擠壓和排壓力，而且要通過(guò)外力吸住內(nèi)部的空氣，才能達(dá)到吸住物料的效果。同時(shí)該種機(jī)械臂完全能夠代替人工對(duì)物料的取放工作，避免了人工搬運(yùn)的低效率，滿足現(xiàn)代企業(yè)的高效率使用要求。

關(guān)鍵詞：KeMotion;機(jī)械臂;自動(dòng)取料;氣夾裝置

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0001-02

0 引言

隨著智能化時(shí)代的不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制在工業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)于一些搬運(yùn)取料設(shè)備的生產(chǎn)效率也要不斷更新，讓自動(dòng)化控制的整體優(yōu)越性能更好地體現(xiàn)出來(lái)，發(fā)揮其重要作用，進(jìn)而代替人工搬運(yùn)，這樣將會(huì)使企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)作大大的改變，為企業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)和可觀的生產(chǎn)效益。由于我國(guó)人口老齡化日趨嚴(yán)峻，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)用工難，而且也面臨著勞動(dòng)力成本不斷上升的困境，因此自動(dòng)化機(jī)械就顯得尤為重要，而且其智能化要求也越來(lái)越高，由于在生產(chǎn)工藝較復(fù)雜的工況中自動(dòng)化機(jī)械臂能代替人工操作，大大減少了勞動(dòng)力，因此被受企業(yè)的廣泛使用。而自動(dòng)化機(jī)械臂性能的好壞、結(jié)構(gòu)的合理，將直接影響其企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著國(guó)家綜合實(shí)力的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)自動(dòng)化機(jī)械臂的需求也越來(lái)越大，使市場(chǎng)形成了強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)作用，所以只有不斷開(kāi)發(fā)出更好的自動(dòng)化設(shè)備，才能受到企業(yè)的好評(píng)和廣泛使用。中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，勞動(dòng)成本越來(lái)越高，面對(duì)龐大的人口基數(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)一款實(shí)用的自動(dòng)取料機(jī)械臂具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。機(jī)械行業(yè)是一個(gè)技術(shù)要求相對(duì)較高的行業(yè)，改革開(kāi)放以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的提高以及國(guó)外機(jī)器人的引進(jìn)，國(guó)家注重市場(chǎng)的研發(fā)，繼而擴(kuò)大市場(chǎng)份額，因此對(duì)國(guó)內(nèi)的小型機(jī)械化行業(yè)具有一定的影響。

1 KeMotion系統(tǒng)的概述

KeMotion是一款多軸運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的控制器，而這款控制器自身控制系統(tǒng)軟硬件都是屬于模塊化的。系統(tǒng)硬件是KeMotion 控制器和各種外部控制模塊，其連接方式是通過(guò)以太網(wǎng)總線與控制器進(jìn)行相互連接的，能和各種應(yīng)用軟件進(jìn)行相互兼容。軟件方面也為用戶提供了一整套完整的操作手冊(cè)、故障診斷、故障排除、參數(shù)調(diào)試等應(yīng)用。

KeMotion控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)共分成三部分：第一部分是控制器的控制系統(tǒng)軟件;第二部分是終端運(yùn)行的軟件，主要有監(jiān)控、操作、診斷等;第三部分是在PC上運(yùn)行的工具軟件，具體是編程開(kāi)發(fā)、監(jiān)控、操作、診斷程序等。

2 取料機(jī)械臂的主要組成

工業(yè)機(jī)器人按其運(yùn)動(dòng)形式可分為四種，每種機(jī)器人根據(jù)其工作場(chǎng)所不同，運(yùn)動(dòng)方式不同。有的是通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種機(jī)器人一般需要承受較大的力，有的是通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，還有對(duì)精度要求較高的是采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此在對(duì)取料機(jī)械臂基座進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其足夠的剛度和強(qiáng)度。

取料機(jī)械臂主要是由伺服電機(jī)、基座、手臂、手腕、夾持裝置和控制系統(tǒng)等組成的。此類型機(jī)械臂和其他類型的機(jī)械臂有著很多優(yōu)越性，具體是機(jī)械臂在夾取物料時(shí)要保證機(jī)械臂整體穩(wěn)定性，因此探頭就要根據(jù)不同類型的工件需要，設(shè)計(jì)不同自由度的夾取方式，而對(duì)于一些工件結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜的，對(duì)機(jī)械臂的要求也就會(huì)更高了。同時(shí)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)形式也是各種各樣，有些采用液壓驅(qū)動(dòng)，比如搬運(yùn)機(jī)械臂;有些采用氣壓驅(qū)動(dòng)，比如採(cǎi)抓機(jī)械臂;還有些采用伺服驅(qū)動(dòng)的，比如本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)就是采用伺服驅(qū)動(dòng)的，所以機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必需采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

3 自動(dòng)取料氣夾裝置的原理和設(shè)計(jì)

當(dāng)取料機(jī)械手運(yùn)行工作時(shí)，要根據(jù)工件的實(shí)際位置，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并調(diào)節(jié)機(jī)械手臂和氣夾間的角度、方位來(lái)抓取物料的。雖然機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)都安裝了氣壓缸，再運(yùn)行抓取物料時(shí)，看似一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，但是需要復(fù)雜的程序和坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，才能保證準(zhǔn)確抓取工件。市場(chǎng)上機(jī)械臂的種類有千百種，而且影響我們生活的方方面面，因?yàn)樗鼈兙哂胁僮鞣奖恪⒖煽啃愿?、安全、舒適等特點(diǎn)。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其操作要求的，以下是自動(dòng)取料氣夾裝置的立體主視圖，如圖2所示。

項(xiàng)目中取料機(jī)械臂是多角度多方位對(duì)工件進(jìn)行夾持的，因此設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮取料機(jī)械手的自由度要多，而且靈活性也要好。取料機(jī)械臂開(kāi)始運(yùn)作時(shí)首先要對(duì)取料的相對(duì)位置進(jìn)行踩點(diǎn)和定點(diǎn)，并通過(guò)觸點(diǎn)傳感器把信號(hào)反饋給PLC控制系統(tǒng)，然后通過(guò)收集的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行反饋，最后機(jī)械臂才會(huì)開(kāi)始對(duì)工件進(jìn)行抓取。此項(xiàng)目的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是由連接桿和真空吸盤(pán)構(gòu)成，各部件之間的緊固是通過(guò)螺栓進(jìn)行固定的，每個(gè)連接桿下方都安裝有相對(duì)應(yīng)的吸盤(pán)，運(yùn)行時(shí)通過(guò)頂端的旋轉(zhuǎn)裝置器來(lái)完成轉(zhuǎn)動(dòng)連接功能的。并且在運(yùn)行工作時(shí)吸盤(pán)的內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，而這種負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生一定的擠壓和排壓，如果要吸住物料，需要借助外力來(lái)吸住內(nèi)部的空氣，以達(dá)到吸住物體的效果。這種設(shè)計(jì)也可以使每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行不同方位的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)伺服系統(tǒng)的控制，最終達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)要求。當(dāng)抓取的工件物料較為復(fù)雜時(shí)，抓取的時(shí)間就會(huì)長(zhǎng)，而且抓取的精度也會(huì)略低，當(dāng)抓取的工件物料形狀較簡(jiǎn)單時(shí)，抓取的整體效果和質(zhì)量就會(huì)好，時(shí)間也會(huì)比較短，因此要根據(jù)實(shí)際抓取的物料選擇設(shè)計(jì)方案，才能設(shè)計(jì)出不同類型的取料機(jī)械臂，這樣才能夠做到物極所用。

4 取料機(jī)械臂手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)我?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室物料取放的通用性，并結(jié)合設(shè)計(jì)理念，可采用垂直方式抓取物料，因此機(jī)械臂手腕設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)相應(yīng)的擺動(dòng)弧度才能滿足取料的使用參數(shù)要求。在運(yùn)行工作時(shí)，要使驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)力矩必須克服起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔的摩擦力矩，還有動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處的摩擦力矩，以及轉(zhuǎn)動(dòng)部件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。因此手腕運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按以下算式計(jì)算：

M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封

式中：M驅(qū)是表示驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩;

M慣是表示慣性力矩;

M偏是表示轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩;

M摩是表示轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦力矩;

M封是表示手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨著人類社會(huì)全面而又高速的發(fā)展，現(xiàn)代化、智能化水平的不斷提升，人類社會(huì)和人們生活正在發(fā)生著日新月異的變化。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念是根據(jù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，首先分析了取料機(jī)械臂在國(guó)內(nèi)外的使用情況，通過(guò)對(duì)其工作原理和機(jī)械臂的各個(gè)部分進(jìn)行力學(xué)分析才完成設(shè)計(jì)的。該類型機(jī)械臂采用的是PLC控制器，其控制核心穩(wěn)定，使用高效快捷，同時(shí)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少裝置內(nèi)部的傳感器安裝，也為了避免人工搬運(yùn)的低效率和不安全性，因此也對(duì)機(jī)械臂的構(gòu)成和分類作了工藝上的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以此來(lái)滿足現(xiàn)代企業(yè)的高效率使用要求，從而來(lái)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本和維修成本。

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Development of a New Automatic Feeding Air Clamp Device for

Manipulator Based on KeMotion System

YE Kun-huang

（Minnan Polytechnic Institute，Shishi Fujian? 362700）

Abstract：The project is to design a kind of air clamp device which can automatically fetch material in KeMotion system. Its structure is mainly composed of connecting rod and vacuum suction cup. Each component is fixed by bolts. There are corresponding suction cups under each connecting rod， and the rotating connection function is completed through the rotating device at the top of each connecting rod. In the operation state， the suction cup will produce a certain negative pressure， and this negative pressure will also produce a certain pressure of extrusion and drainage， and through external force to absorb the internal air， in order to achieve the effect of absorbing materials. At the same time， this kind of manipulator can completely replace the manual fetching and placing of materials， avoid the low efficiency of manual handling， and meet the requirements of modern enterprises for efficient use.

Key words：KeMotion; mechanical arm; automatic feeding; air clamp device