機電一體化技術在搬運機器人機械手設計中的應用

張晉

摘 要：本文設計了基于機電一體化技術的搬運機器人機械手。機械結構原理為電磁閥控制液壓缸實現(xiàn)機械手升降運動，外部線圈控制電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車進退運動。動作轉(zhuǎn)換時，設置在不同部位的行程開關產(chǎn)生通斷信號并將其傳輸?shù)絇LC控制器，驅(qū)動外部線圈控制電機產(chǎn)生動作，實現(xiàn)機械手精確定位。動作包括升降、進退等，操作方式包括手動、連續(xù)等，滿足生產(chǎn)操作要求。

關鍵詞：機電一體化技術;搬運機器人;機械手設計

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0075-03

Abstract： This paper designed a handling robot manipulator based on mechatronics technology. The mechanical structure principle is that the solenoid valve controls the hydraulic cylinder to realize the lifting movement of the manipulator， and the external coil controls the operation of the motor to realize the forward and backward movement of the trolley. When the action is changed， the travel switches set in different parts generate the on-off signal and transmit it to the PLC controller， and drive the external coil to control the motor to produce the action， so as to realize the precise positioning of the manipulator. Actions include lifting， advance and retreat， etc.， and operation modes include manual， continuous， etc.， to meet production operation requirements.

Keywords： mechatronics technology;handling robot;manipulator design

近年來，電子產(chǎn)品制造業(yè)勞動力成本不斷增加，企業(yè)職工工資水平不斷提高。目前，中國電子產(chǎn)品待加工企業(yè)利潤為8%。工人工資水平提高，加大了企業(yè)用工成本負擔。人力成本受到企業(yè)的普遍關注，隨著人力資源成本的提升，企業(yè)迫切需要利用工業(yè)機械手取代人工勞動。

人工搬運是傳統(tǒng)的搬運方式，勞動強度大，人力成本高。當前，企業(yè)可以引進機械手代替人工勞動，機械手能提高搬運效率，降低人工成本。現(xiàn)階段，大部分國產(chǎn)機械手使用PLC控制系統(tǒng)，國外搬運機械手控制系統(tǒng)性能優(yōu)越，但價格昂貴，中小型電子加工企業(yè)無法承受成本負擔。因此，開發(fā)經(jīng)濟的控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 機械手控制系統(tǒng)的研究

機械手是能模仿人手臂某些動作，按固定程序抓取操作工具的自動操作裝置，可實現(xiàn)生產(chǎn)機械化，在有害環(huán)境下保護人身安全，廣泛應用于機械制造等領域。機械手由手部、手臂和軀干等部分組成，手部抓持工件，根據(jù)物件形狀要求有多種結構形式，運動機構使手部完成轉(zhuǎn)動或復合動作實現(xiàn)規(guī)定動作要求[1]。

機械手自由度高，通用性強，按運動軌跡控制方式分為點位與連續(xù)軌跡控制。機械手通常作為機床附加裝置，有些操作裝置仍需要人工操作。1958年，美國研制出世界上首臺機械手。日本在引進美國機器人控制系統(tǒng)技術的基礎上自主創(chuàng)新，使得機器人控制系統(tǒng)技術飛速發(fā)展。2000年，日本在工業(yè)機器人上應用嵌入式技術，使得機器人更加智能。日本研發(fā)的Yaskawa Motoman為雙臂高性能控制系統(tǒng)機器人，機器人控制系統(tǒng)具有快速響應能力，突破以往6個軸運動的限制，使機器人在有限空間內(nèi)完成復雜動作。

2013年，ABB公司將視覺技術應用于機械手，通過圖像傳感器采集外界環(huán)境信息，經(jīng)圖像預處理技術實現(xiàn)對工件的準確檢測。高清攝像頭安裝在固定位置，實現(xiàn)對機械手的自由度控制。美國橡樹嶺國家實驗室研究了機器人相互通信，成功將多傳感器技術等復雜技術應用在機器人上，在機器人協(xié)調(diào)方面取得顯著進展。國外機器人控制系統(tǒng)大多基于嵌入式系統(tǒng)，能實現(xiàn)多軸控制，并將機器視覺技術融入機器人控制中，機器人間根據(jù)協(xié)議通信。我國機器人控制系統(tǒng)技術相對落后，近年來，機械手控制系統(tǒng)快速發(fā)展。將ARM+經(jīng)濟型串口屏相結合，設計機械手控制系統(tǒng)，這種方法具有價格低廉的顯著優(yōu)勢。

2 工業(yè)搬運機械手的應用發(fā)展

生產(chǎn)機械化成為現(xiàn)代工業(yè)的主題，專用機床是量產(chǎn)自動化的有效方法，數(shù)控機床等自動化機械是解決多品種量產(chǎn)自動化的重要方法。目前，大量裝卸作業(yè)有待實現(xiàn)機械化。美國生產(chǎn)工業(yè)零件時，有75%為小量產(chǎn)，零件在機床上的加工時間占生產(chǎn)時間的5%[2]。

工業(yè)機械手為實現(xiàn)工序自動化而生。機械手動作靈活多樣，適用于變換生產(chǎn)品種的批量自動化生產(chǎn)，國內(nèi)外工業(yè)機械手主要應用于冷熱加工、拆修裝方面。熱加工作業(yè)于高溫環(huán)境，工作量大，為提高工作效率，其可以采用機械手操作。冷加工也可以使用機械手，成為機床上下工序連接的重要手段。拆修裝是鐵路系統(tǒng)體力勞動較多的部門，目前采用機械手裝卸軸箱等減輕勞動強度。隨著計算機技術等在機械手中的應用，工業(yè)機械手成為工業(yè)生產(chǎn)中提高生產(chǎn)效率的重要手段。

機械手在工業(yè)中的應用可以提高生產(chǎn)自動化水平，改善勞動條件，減少人力成本。應用機械手有利于提高材料傳送、刀具更換等的自動化程度，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化，避免人處于高溫、高壓、噪聲等場合，降低人手操作危險。機械手可代替人安全完成作業(yè)，避免操作疲勞造成人身事故。其逐漸由專用機械手朝通用機械手的方向發(fā)展，智能機器人涉及多門專業(yè)知識，是綜合性強的新技術。目前，國內(nèi)外非常重視發(fā)展通用機械手技術，相關研究非常活躍，品種不斷增加[3]。

國內(nèi)工業(yè)機械手主要用于機床加工、熱處理等方面。我國要擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展熱處理機械手，應用專用機械手的同時發(fā)展和研制計算機控制機械手。

3 PLC在搬運機械手中的應用

工業(yè)機器人由操作機、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等構成，是自動控制、能在三維空間完成作業(yè)的機電一體化生產(chǎn)設備，適用于多品種柔性生產(chǎn)，對提高生產(chǎn)質(zhì)量、改善勞動條件起到重要作用，其綜合了計算機、人工智能等多學科技術，應用日益廣泛[4]。

機器人應用是一個國家工業(yè)自動化水平的標志。機器人是綜合人的特征的擬人電子機械裝置，有機器可長時間持續(xù)工作的能力，具有人對環(huán)境狀態(tài)快速反應的能力，是機器化的產(chǎn)物，是先進制造技術領域的重要自動化設備。機械手是模仿人手部動作，按給定程序要求實現(xiàn)自動抓取的自動機械裝置。工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手為工業(yè)機械手，應用機械手可提高生產(chǎn)自動化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，意義重大。機械手在機械加工、熱處理、交通運輸?shù)确矫鎽脧V泛。隨著技術的發(fā)展，通用機械手出現(xiàn)，可快速改變工序，其在不斷變換生產(chǎn)品種的小批量生產(chǎn)中應用廣泛。

可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術等發(fā)展起來的通用工業(yè)自動控制裝置，因其顯著優(yōu)點在冶金等領域得到廣泛應用。PLC問世前，工業(yè)控制領域由繼電器主導，傳統(tǒng)繼電器控制具有結構簡單的優(yōu)點，但控制裝置體積大，耗電多，其靠硬件連線構成系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝改變時接線和控制盤需要更換。PLC應用領域廣泛，近年來，PLC性價比不斷提高，廣泛應用于機械、化工、電力等行業(yè)。PLC控制類型主要包括邏輯控制、模擬量控制、工業(yè)機器人控制等。邏輯控制是PLC最廣泛的應用，PLC逐漸取代繼電器控制。PLC通過模擬量I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，可與機械加工數(shù)字控制緊密結合。

PLC具有可靠性高、控制系統(tǒng)構成簡單、使用方便等特點。PLC可在惡劣環(huán)境（如電磁干擾、機械振動等）條件下可靠工作，無故障間隔時間長，其采用軟件編程實現(xiàn)控制。PLC可用于開關量與模擬量控制，可用于組成多級控制系統(tǒng)，采用半導體集成電路，功耗低。機械手通常應用于動作復雜的場合代替人工重復操作，普通繼電器常用于動作簡單的電氣控制，PLC具有控制性能好、系統(tǒng)構成簡單、體積小等優(yōu)點，適用于動作復雜的電氣控制。

4 搬運機器手控制系統(tǒng)設計分析

搬運機械手工作原理是X軸電機將動力傳至X軸絲杠滑臺機構，Z軸電機將動力傳至Z軸絲杠滑臺機構，機架繞基座旋轉(zhuǎn)，電磁鐵為執(zhí)行器，吸附電子元器件夾具。搬運機械手工作時，首先點擊觸摸屏復位按鈕，驅(qū)動模塊接收主控單元模塊復位指令，吸附工作臺注塑前的電子元器件夾具。

為防止電子元器件夾具與工作臺相撞，機械手上升至一定位置，驅(qū)動Z軸電機使機械手運動到注塑機固定位置，電磁鐵失電，機械手按原路返回，吸附工作臺電子元器件夾具。搬運機械手運用平行四邊形機構，為方便機械手控制，人們需要求出末端位置。其間可以推導機械手位姿矩陣，對生產(chǎn)線搬運機械手進行矩陣分析。通過將X、Y方向加速度合成，末端機械手加速度為徑向滑塊移動加速度的[λ]+1倍，搬運機械手加速度被線性放大。

X軸電機最大速度為150 r/min，U軸電機最大速度為10°/s，通過ADAMS分析軟件進行選型驗證，步進電機相數(shù)有2相和5相。人們需要根據(jù)轉(zhuǎn)矩選擇步進電機型號，分析得到X軸轉(zhuǎn)矩圖和U軸轉(zhuǎn)矩圖。U軸所需轉(zhuǎn)矩最大約為0.75 N·m。在實際工程中，人們需要考慮一定余量。經(jīng)確定，X軸電機型號為U12442-25-0404A，V軸電機型號為U12442-25-0404A，Z軸電機型號為U12442-40-170A，U軸電機型號為U12457-76-3304A。

5 基于機電一體化技術的搬運機器人機械手設計方案

搬運機器人機械手系統(tǒng)由本體、執(zhí)行機構、監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成。本體支撐手臂腕部，驅(qū)動系統(tǒng)向執(zhí)行元件提供動力。控制系統(tǒng)為自動搬運系統(tǒng)指揮中心，可存儲各種指令，向執(zhí)行元件發(fā)出指令。監(jiān)測系統(tǒng)檢測執(zhí)行系統(tǒng)所處位置。

控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息發(fā)出調(diào)整動作信號，端拾器是夾持工件的移動夾具，常見端拾器有吸附式、仿人式等。搬運機器人機械手需要通過升降、左右移動等過程完成工作，松緊等需要一定延時。搬運系統(tǒng)動作，按下啟動按鈕，傳感器到取料點取料，按示教器指定路線行走，到加工點放料，返回原點等待搬運。接收到傳感器信號后，重復動作。按暫停鍵停止運行。運行期間，若急停按鈕動作，則停止系統(tǒng)運行，另外，可按復位鍵復位。工業(yè)機器人是自動搬運系統(tǒng)的重要部分，從自由度、手部最大負重等關鍵參數(shù)考慮，選取Fanuc工業(yè)機器人搬運物料，Robot M-10iA工業(yè)機器人是多功能機器人，由本體和示教器等部分組成。

機器本體為關節(jié)式六軸結構，具有手腕旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等獨立旋轉(zhuǎn)關節(jié)。為避免運轉(zhuǎn)過度導致設備損壞，設限位裝置，控制箱程序設置的軟限位小于硬限位，電動機減速。搬運機器人機械手控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，用工業(yè)以太網(wǎng)等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。Simatic PLC負責接收觸摸屏操作指令，傳遞工位PCL設備運行狀態(tài)信號。硬件設計選型滿足控制系統(tǒng)要求，考慮生產(chǎn)工藝變化要求，I/O點預留10%裕量，PLC選用西門子Simatic S7-200，配置包括數(shù)字量輸出模塊、電源模塊等。西門子S7-200 PLC技術可靠性高，在工業(yè)控制現(xiàn)場有大量成功應用案例。

執(zhí)行裝置正確使用相應物料移載方法，實現(xiàn)工件抓取，有助于保障搬運操作人員健康、作業(yè)安全和產(chǎn)品品質(zhì)。設計小巧輕便、安全可靠的現(xiàn)代執(zhí)行裝置非常重要。為高效完成物料搬運任務，本研究設計了縱橫向抓取執(zhí)行裝置，其由多個部件組成，采用雙氣缸結構增加夾爪行程，機械手抓取動作由氣缸驅(qū)動。機械手前端夾爪互換完成不同方位抓取，先使用A型夾爪，然后手動更換B型夾爪，完成軸向夾取工件。完成搬運機器人機械手硬件設計后，對系統(tǒng)進行檢測試運行，調(diào)試期間要確認周圍環(huán)境安全，示教模式下，搬運機器人按預定軌跡設定程序點，調(diào)節(jié)機械手加持力，配置好工藝參數(shù)。

6 結論

當前，機電一體化技術逐漸應用于搬運機器人機械手的設計中。本研究以機電一體化技術為基礎，設計了一種搬運機器人機械手。其中，電磁閥控制液壓缸實現(xiàn)機械手升降運動，外部線圈控制電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車進退運動。在轉(zhuǎn)換動作時，設置在不同部位的行程開關會產(chǎn)生通斷信號并將其傳輸?shù)絇LC控制器，驅(qū)動外部線圈控制電機動作，保證機械手定位精確。這種搬運機器人機械手可以執(zhí)行升降、進退等動作，可以長時間運行，滿足生產(chǎn)操作要求。

參考文獻：

[1]馬超坤.懸鏈涂裝線上車輪搬運機器人的軌跡規(guī)劃[D].濟南：濟南大學，2016.

[2]許琳.物料搬運機械手的建模與仿真[D].濟南：齊魯工業(yè)大學，2016.

[3]吳俊利.搬運機械手的抓取設計及軌跡控制研究[D].秦皇島：燕山大學，2016.

[4]何玉輝.生產(chǎn)線搬運機械手控制系統(tǒng)研究[D].成都：西南石油大學，2016.