機械手智能物料搬運裝置及其控制系統的設計

摘 要：隨著工業生產逐步向自動化、智能化方向發展，工業機器人開始得到普遍應用，以機器人代替人工生產，不僅可以提高生產效率，減少失誤，還能有效降低工人的工作強度。機械手作為機器人的分支之一，在工業生產中可以負責搬運、分揀等工作，對于生產企業而言，規模化應用智能機械手可以有效降低人力成本，有助于促進企業的轉型升級。為此，主要研究了一種低成本、高效的機械手智能物料搬運裝置及其控制系統，以期推動智能機械手在各個領域中的推廣使用。

關鍵詞：智能化;機械手;控制系統;PLC;物料搬運

0 引言

物料搬運作為工業生產中的重要環節之一，搬運效率及準確率會對生產產生直接影響。傳統的人工分揀、搬運方式已經很難適應當前工業生產的要求，以機器人代替人工搬運是必然的發展趨勢。采用智能機械手代替人工分揀、搬運物料可以最大化滿足當前的生產需求，智能機械手不僅可以適應多種復雜環境，還能持續不間斷地進行工作，在效率及成本方面要遠優于人工搬運模式。

1 機械手智能物料搬運裝置總體結構設計

本文所研究的機械手智能物料搬運裝置主要功能是負責搬運物料，因此在總體結構設計上相對簡單，其主要由3個核心部分構成，分別是機械手、控制系統以及驅動裝置。

驅動裝置是機械手裝置的核心構成之一，主要負責為機械手提供動力源，推動機械手完成既定的分揀、搬運動作。目前，使用比較廣泛的驅動方式主要有3種，分別是液壓驅動、電機驅動以及氣動驅動，這3種驅動方式目前都比較成熟，可以適應機械手智能物料搬運裝置的驅動要求，具體可以根據實際需要進行選擇，包括對功率、穩定性、控制性能的要求等[1]。

液壓驅動的輸出功率比較大，驅動裝置結構相對簡單，可以快速對控制指令做出反應，可以實現無級調速，驅動裝置整體體積小，不需要占用較大空間，但是在運行過程中噪聲相對較大。此外，液壓驅動裝置對于使用環境有一定要求，因為液壓油易泄漏，因此潔凈度要求高的環境、存在易燃物品的環境不建議使用液壓驅動裝置，具有一定的安全隱患。

電機驅動可以實現高精度控制，功率輸出比較大，反應速度快，比較適合一些控制精度高、需要持續大功率輸出的工作場合，并且電機驅動的結構比較緊湊穩定，工作過程中不會產生較大的噪聲，運行效率比較高，是目前應用最為普遍的一種驅動方式。

氣動驅動裝置的整體結構簡單，對控制指令的反應動作也比較敏捷，總體上性價比比較高，但是由于氣體被壓縮之后變化比較大，系統穩定性不足，裝置的緩沖能力較低，難以實現高精度的控制[2]。此外，氣動驅動裝置的結構較大，運行過程中會產生較大噪聲，對于控制精度要求較高、噪聲要求較小的生產環境不建議采用氣動驅動裝置。

2 機械手關鍵結構設計

2.1? ? 機械手臂結構設計

機械手臂是機械手的核心構成，關系到機械手是否可以順利完成搬運操作，筆者所設計的機械手臂如圖1所示，整體結構是平行四邊形，可以使抓手保持水平狀態。由于機械手臂是主要負載部位，因此對于剛度以及強度的要求較高，需要確保機械手臂在長時間的持續工作中不會出現斷裂、變形等問題，同時機械手臂本身的質量不能過大，否則會影響到機械手搬運操作的效率[3]。本設計中采用的是工業鋁型材，此類材料強度大密度小，機械性能良好，比較輕便，作為機械手臂的材料比較適合。

機械手在運行過程中機械手臂關節部位的活動最為頻繁，因此，在設計上需要具備較高的穩定性、靈活性，可以在高強度的運行中保持較長的使用壽命[4]。在設計中采用的是軸承連接，以此增加手臂結構的靈活性，使得機械手在執行操作指令時反應更加靈敏，操作更加順暢，避免出現卡頓情況。

2.2? ? 機械抓手結構設計

機械抓手是機械手實現抓取操作的主要構件，是與物料直接接觸的部分，在對機械手下達操作指令后，機械抓手需要完成抓取動作，并且保持穩定，搬運至指定位置。機械抓手與人手存在極大差別，具備部分人手功能，在設計機械抓手時需要考慮到搬運物料的質量、大小、被抓位置、搬運環境等多種因素，不同的結構形式具有不同的特點，目前比較常見的機械抓手是氣吸式、鉗爪式以及電磁式等。按照使用要求，本設計中采用的是鉗爪式機械抓手，其主要結構包括傳力結構以及手指部分。

3 機械手驅動裝置設計

在本設計中，考慮到實際使用要求以及使用環境要求，決定采用電機驅動裝置，關于驅動裝置的設計與選擇主要涉及兩方面，分別是電動推桿與步進電機。

3.1? ? 電動推桿

電動推桿是機械手主要的驅動裝置，直接關系到機械手是否可以將物料搬運至指定位置，如果推力不足，則機械手無法完成搬運操作指令;如果推力過大，則會導致資源浪費。因此，在電動推桿的選擇上要綜合考量，推桿的最大推力要略高于負載，這樣才能保證機械手完成搬運操作。在本設計中采用的是LFHB系列推桿，最大推力600 N，工作電壓24 V，空載速度20 mm/s。

3.2? ? 步進電機

目前，比較常用的主要是永磁式步進電機、混合式步進電機以及反應式步進電機3種，其中永磁式步進電機無法實現高精度操作，反應式步進電機運行過程中噪聲較大，因此，在本設計中采用的是110BYG350D混合式步進電機。由于步進電機無法識別脈沖信號，難以直接被PLC控制，因此需要選擇配套的驅動器，以便實現自動化控制，在本設計中采用的是3ND2283步進電機驅動器。

4 機械手控制系統設計

在本設計中機械手控制系統采用PLC系統，這主要是由于PLC性能優良，整體上性價比高，可以適用于比較復雜的生產環境，具有較強的抗干擾能力，并且編程方法比較簡單，上手容易，系統體積較小，不會占用太大空間，而且耗能也比較低[5]。本設計采用的是三菱公司近幾年的PLC FX2N系列，此系列PLC產品無論是軟件還是硬件的兼容性都比較好，功能齊全，且尺寸不大，空間利用率較高。

在實際運行過程中，由PLC系統控制機械手運轉，首先PLC通過驅動器向步進電機下達指令，開始供電，然后向電動推桿輸送指令，推桿開始伸長，機械手臂下擺，做好抓取物料的準備，最后PLC向機械抓手下達抓取指令，完成物料搬運過程。

5 結語

本文設計了一套智能化、自動化的機械手搬運裝置，實現了對物料的自動化搬運。本設計整體上結構比較簡單，驅動裝置選擇電機驅動裝置，可以有效滿足物料搬運的動力要求，以PLC作為控制系統，可以實現自動化控制，考慮到實際使用過程中的多種因素，機械手臂及機械抓手的設計選擇工業鋁型材作為主要材料，各方面性能優良，符合使用要求。

[參考文獻]

[1] 陳祥龍，劉恩昌，姚文博.基于Arduino全自動化物料搬運機器人的設計與優化[J].數碼世界，2019（4）：120.

[2] 葛佳佳，陳峰.基于PLC技術的機械手控制系統設計[J].工業控制計算機，2015（2）：114-115.

[3] 成經平，孫穎.氣動搬運機械手的設計及其應用[J].湖北理工學院學報，2016，32（5）：1-3.

[4] 修學強.基于ATmega16與AtmelStudio6.0的數控六角車床搬運機械手的設計與控制[J].機床與液壓，2015（3）：99-103.

[5] 張帥，楊惠忠，卿兆波.基于PLC的2-DOF并聯機械手控制系統設計[J].制造業自動化，2016，38（10）：100-104.

收稿日期：2020-01-07

作者簡介：李江濤（1998—），男，河南駐馬店人，研究方向：機械設計制造及其自動化。