數控拉伸生產線上下料機械手的研究與設計*

王素粉，田子欣

(1.河南科技大學 應用工程學院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業技術學院 汽車學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

隨著氣動技術及自動化控制技術的不斷發展，自動化生產線也日趨智能化，本文通過對國內外拉伸自動化生產線加工相關文獻的查閱及對國內自動化生產線的現狀分析，結合校企合作企業自動化拉伸生產線目前存在的加工效率低、上料半自動化、中心對中不準確、工人勞動強度大等問題，為企業中所使用的拉伸機半自動化生產線設計了一種自動對中連桿交叉雙活塞式機械手，作為專用的上下料機械手。針對工件在拉伸過程中直徑會發生變化的特點，該機械手前端設計了能夠自動對中的連桿交叉式平移夾持器；采用PLC及氣動原理設計出機械手的控制系統，同時，還加入了壓力反饋閉環控制環節，解決了系統不穩定的問題，提高了整個機械手的上下料精度，實現了準確定位，從而提高了機床生產企業拉伸半自動化生產線的拉伸效率、改善了生產質量、提高了自動化程度，且能夠有效改善企業車間的環境并降低工人勞動強度，也為企業其他設備的自動化改造提供一定的借鑒。

1 數控雙動力拉伸機自動化生產線工作原理及要求

1.1 數控雙動力拉伸機自動化生產線工作原理

本文研究的數控拉伸自動上下料生產線主要包括兩臺數控拉伸機、物料傳送裝置、電氣控制系統和兩臺機械手，其組成框圖如圖1所示。數控拉伸自動化生產線工作原理為：兩個機械手原位等待，當毛坯到達數控拉伸機時，機械手1把毛坯放置在數控拉伸機1上完成工件的第一道拉伸工序后，機械手1啟動，抓取工件，旋轉后放置在傳送帶上，通過傳送帶傳遞到達數控拉伸機工位2旁，此時機械手2抓取工件，放置在數控拉伸機2工作臺上，待第二道拉伸工序完成后，工件被機械手2放置在待檢處理臺上，檢測完成后被送到成品區。根據生產線的工作原理利用SolidWorks三維造型軟件設計出其上料與卸料狀態三維模型，如圖2和圖3所示。

圖1 數控拉伸自動化生產線組成框圖

圖2 數控拉伸自動化生產線機械手上料狀態 圖3 數控拉伸自動化生產線機械手卸料狀態

1.2 機械手工作流程及控制要求

1.2.1 機械手的工作流程

通過分析數控拉伸自動化生產線的工作原理可知，上下料機械手主要作用是根據工件到達及加工完畢信號自動旋轉且能準確到達工件位置，保證正確夾取工件，由于工件形狀為圓柱形，所以需要機械手的夾持部分與工件的接觸面全面接觸，具體控制要求為：伺服電機實現機械手的旋轉及手臂動作，完成工作后由原位傳感器控制機械手原地待命，得到工件傳遞到位信號后，機械手抓取工件放置到數控拉伸機的工作臺上，原地待命，等待接受到數控拉伸機加工完畢的信號后執行取件任務，再逆向旋轉放回到下一道工序位置，如此循環。在運動的過程中，一旦出現任何故障，機械手都會給出報警信號，且自動停止，待所有故障排除后復位即可。根據其工作情況，可以把機械手分為以下6個工作狀態：狀態1，原位等待；狀態2，旋轉到目標位；狀態3，夾持工件；狀態4，逆向旋轉到目標位置；狀態5，放置工件；狀態6，機械手復位。

1.2.2 機械手工作控制要求

啟動要求：啟動時要求機械手先處于原位，否則將無法啟動整個程序。

取料要求：機械手的伸縮臂伸出長度為195 mm，利用手爪夾緊工件等待5 s，機械手伸縮臂縮回距離為95 mm，機械手升降臂上升距離為155 mm，同時機械手回轉液壓缸逆時針回轉角度為150°至取料位置。

上料要求：機械手臂伸出195 mm，到達數控拉伸機1上料工作臺位置，手指松開等待3 s，伸縮手臂縮回，旋轉液壓缸再順時針回轉150°，機械手到達原位停止，等待拉伸機完成第一道工序。

卸料要求：拉伸機1加工完成后會發出加工完成信號，信號輸入到PLC,待機械手得到信號后，旋轉液壓缸回轉150°伸縮手臂伸出195 mm到達加工工件位置，手指夾緊等待3 s；手臂縮回，旋轉液壓缸旋轉150°，升降液壓缸下降195 mm到達初始位置。

工件放置要求：回轉到位后，伸縮臂伸出，到達傳送帶，手指松開等待2 s后，手臂縮回，回到原始位置。

工件傳送要求：傳送帶需要一個變頻器控制的三相交流異步電動機帶動，當工件傳遞到第二道工序時，執行第二個加工工序，待加工完畢后，機械手執行取料任務后，加工成品工件被傳送帶傳送至待檢區，等待處理和分揀。

復位要求：安裝原位限位開關，機械手的復位主要是機械手停止循環工作后手臂復位、手爪復位，機械手處于停止狀態。

2 數控拉伸機上下料機械手整體方案設計

根據數控拉伸機的工作原理及機械手的主要工作任務,為便于設計及后期維修工作，上下料機械手結構采用模塊化設計，主要包含升降模塊、伸縮模塊、夾持模塊、回轉模塊。其中，在回轉模塊安裝有自定位模塊，保證機械手的回轉精度，同時提高夾持器的靈活性及對稱性；夾持模塊設計成自動對中連桿交叉雙活塞式夾持器，其動作時靠各種傳感器來實現信號的傳遞；控制器采用三菱PLC，其升降動作由升降缸控制，伸縮由伸縮缸完成，旋轉靠旋轉缸完成；手爪部分采用連桿交叉雙活塞式平移夾持方式。機械手整體設計方案如圖4所示。

1-升降氣缸；2-回轉氣缸；3-伸縮氣缸；4-連桿交叉雙活塞式平移夾持器

3 機械手夾持器的設計

要保證數控拉伸機對工件的拉伸精度，就必須保證機械手放置工件時的位置精度，但在拉伸過程中，兩道拉伸工序前后工件的尺寸發生了明顯的改變，如果采用傳統的旋轉式端部夾持器將會嚴重影響其夾持精度，因此要選擇平移型夾持的方式，但傳統的平移型夾持器都存在結構較復雜、體積龐大、動作不靈活等問題。因此，本文在傳統的平移型夾持器的基礎上設計了一種能夠實現自動對中連桿交叉雙活塞式夾持器，其結構如圖5所示。該機械夾持器主要由雙活塞式滑動氣缸和連桿交叉手爪組成，此結構既保證了傳動的平穩性又可保證左右的夾塊移動量一致，從而更加精準地保證夾取、放下的位置。當電磁閥得電，氣體進入雙聯氣缸的中間腔時，兩個活塞將帶動活塞桿同時伸出，執行夾緊動作；當電磁閥失電氣缸將會復位，執行手爪松開動作。由于兩個活塞共用一個腔體，因此壓力保持一致，所以左手爪的松開和夾緊時左右夾塊動作保持一致，即使出現了拉伸工件尺寸的改變，其中心位置始終保持不變，實現自動對中的效果。氣動控制具有結構簡單、體積小、動作平穩等優點，解決了現有機械手的笨重和龐大等問題。

1-雙活塞式氣缸；2-連桿交叉手爪

4 機械手氣動控制系統設計

本文設計的機械手用于拉伸生產線的上下料，因此氣動系統主要實現機械手的升降、伸縮和回轉。為實現準確定位和平穩運行，設計了限位傳感器；為了提高氣體的質量，選用了空氣過濾器，同時，用減壓閥及電磁閥來實現氣流的控制。其中，手指夾緊回路由二位三通電磁換向閥和減壓閥控制連桿交叉雙活塞式氣缸，手指的回轉及機械手機身回轉利用了三位四通電磁換向閥及減壓閥控制回轉氣缸，而機身的升降和機械手的伸縮分別使用了三位四通的氣電伺服閥。機械手氣動控制原理圖如圖6所示。

1-氣源；2-空氣過濾器；3-減壓閥；4-壓力表；5-二位三通電磁換向閥；6，9，10，13，14，18，19-單向節流閥；7-手指夾緊氣缸；8，12-三位四通電磁換向閥；11-機械手機身回轉氣缸；15-夾持器回轉氣缸；17，21-三位四通氣電伺服閥；16-手臂伸縮氣缸；20-機身升降氣缸

5 控制系統PLC程序設計

自動對中連桿交叉雙活塞式上下料機械手的程序控制主要包含了對機械手本身執行動作軌跡的控制及數控拉伸機各種信號的傳遞。在程序編寫過程中重點考慮到各種環節的執行特點，機械手的旋轉方向靠旋轉氣缸150°的旋轉定位來實現，并加入定位模塊；機械手伸出及縮回的限位靠磁性傳感器來控制，機械手的抓取則靠時間延時來控制。除此之外，還可以加入觸摸控制和監測動作情況。

機械手的自動化控制狀態流程如圖7所示。

圖7 機械手控制狀態流程

在初始位置M0,機械手處于原位等待，當料臺上有料時，機械手逆時針旋轉至料臺，下降到位延時夾緊工件完畢后，機械手機身上升，再逆向旋轉至拉伸機旁，機械手下降到工件放置位置，機械手調整工件位置完畢，縮回、旋轉至原位等待加工完畢信號傳遞。待加工完畢后，機床信號將會傳遞到PLC。PLC控制機械手再次抓取物料并放回到傳送帶上，傳送帶在電機的帶動下工作，把工件傳送至第二個拉伸機旁執行第二道工序。加工完成下料后，機械手回到原點，依次往復循環。

6 結語

本文針對工件在拉伸過程中直徑會發生變化的特點，分析了數控雙動力拉伸生產線的工作原理，設計了能夠自動對中的連桿交叉雙活塞式平移機械手。根據生產線的工作原理，利用SolidWorks三維造型軟件設計出其上料與卸料狀態三維圖，研究了機械手氣電伺服位置控制系統，設計出機械手氣動控制原理圖，利用三菱PLC軟件對其機械手的控制系統進行了設計。本文的研究將提高數控拉伸機的上下料自動化程度及上下料的精度，提高拉伸機的生產效率。