淺析自動化機械手的柔性化生產

周如光

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州213025）

1 自動化機械手的現狀分析

隨著社會老齡化的提前到來，勞動力越來越緊缺。然而，要實現中華民族的偉大復興，就迫切需要提高勞動生產力，所以提高我國的工業自動化水平已經是必然的趨勢。機械手作為最早出現的工業機器人，有效地代替了部分體力勞動環節，降低了工人的勞動強度，并且它可以在惡劣或有害的環境中工作，以此來保證操作人員的人身安全。機械手現在被廣泛運用于3C電子、汽車及相關、精密制造、醫療器械、電氣、化工、新能源、食品、廚衛等領域。

機械手按照使用范圍可分成三類：第一類是專用的機械手，這類機械手專業性較強，配合在某條生產線或者某臺機器設備上用來完成輔助性工作，一般來說它們的工作程序都是固定的，因而稱為專用機械手；第二類是需要進行人工操作的機械手，也稱為操作機，這種機械手起源于軍事工業，目前，常用于鍛造、焊接、沖壓等工序；第三類是不需要人工操作的機械手，這類機械手可以獨立按照控制程序進行自動重復的操作，并可以根據需要編制其他程序，以此來完成各項規定的成套動作[1]。第三類機械手的適應性最強，在工業生產中得到了廣泛的運用。本研究涉及的自動化機械手就是這種類型。

這類機械手大多包含以下四大系統部件：執行機構、驅動系統、控制系統和位置檢測系統[2]。執行機構是機械手主體，它由多個連桿和關節組成，可實現多個自由度的動作；驅動系統一般是由氣源組件、氣缸和電磁閥等各種氣路元件組成，以實現各個關節及手部的動作；控制系統負責將信息指令傳遞給執行機構，并對機械手的動作進行跟蹤和反饋；位置檢測系統將執行機構的實際位置信息傳遞給控制系統，使得執行機構能以一定的精度運動到指定位置。這樣，檢測裝置和控制系統的配合已經使機械手形成穩定的閉環控制，使它具備了多功能、多用途和可調整的特性，下面筆者將通過一個具體的流程設計來判斷此類機械手的通用性是否勝任柔性生產。

2 機械手通用生產線設計

2.1 機械手的工作流程

以上下物料為例，筆者研究的是三大機械手種類中通用性最好的可編程自動化機械手，由PLC程序控制，完成在自動模式下進行固定動作套路的循環工作，并且在自動控制以外還可以切換為手動控制來進行單步操作運動。自動模式主要應用于平常的工作狀態，手動模式用于工作時間以外的檢修狀態。程序編程要求如下：

1）自動模式。按下啟動按鈕，程序啟動，機械手恢復到待機狀態，即軀干整體右擺，懸臂縮回，手臂上升，手部松開，滿足此四點稱為待機狀態。當工作臺上的傳感器檢測到物件時，機械手將懸臂伸出；伸展到位以后，手臂下降；手臂下降到既定高度后，手部夾緊；計時1.5 s以后，手臂上升；上升到既定高度后，軀干整體左轉；左轉到位，手臂下降；下降到既定高度后，手部松開，再計時1.5 s以后，機械手進行恢復待機狀態動作，恢復完畢后繼續檢測工作臺是否有物件存在狀態。以此往復，循環工作。

2）手動模式。每按一次啟動按鈕，機械手就根據PLC程序單獨執行下一步動作，如此往復。此模式為單步操作，用于檢修空載狀態下的系統。在手動單步操作中途拍下急停按鈕再松開，機械手工作周期重新開始。

2.2 生產線的電氣系統硬件結構

電氣系統的硬件部分由可編程控制器、機械手、氣壓缸、按鈕與急停開關以及光電開關組成[3]。其中，可編程控制器通過儲存所編寫的程序，運用邏輯運算和算術運算等各類指令，來控制各種機械的生產過程。機械手根據程序實現多維度的運動和生產所需的動作，其控制要素包括工作順序、運動速度、到達位置、動作時間等。機械手動作的動力來源于氣壓缸的工作，它是系統中的直接執行元件之一，它的原理是將氣壓能轉化為運動所需的機械能。急停按鈕屬于機械按鈕的一種，當發生緊急情況的時候人們可以通過快速按下此按鈕來達到保護人身安全和設備安全的措施。光電開關是生產或安防等場合使用頻率較高的感應式開關，它通過檢測器對光束的反射或遮擋來判斷物體是否存在。光電開關的種類也非常多，例如銀行、商店及倉庫等場合會使用紅外線光電開關，連續式高速包裝機中會使用槽式光電開關，間歇式生產流水線會使用漫反射型光電開關，電磁振動供料器上會使用光纖式光電開關等等。在本設計中，它將成為主要的感受器官，對可編程控制器提供輸入信號[4]。

2.3 可編程控制器的輸入輸出點設置

表1 輸入輸出點對應表

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根據系統功能所需，對PLC的I/O信號點進行了定義，輸入輸出點如表1所示。

2.4 機械手自動模式工作流程圖

本設計主要探究機械手在自動模式的工作流程，如圖1所示。可編程控制器編寫程序將緊緊圍繞此圖所展示的流程進行。

圖1 機械手自動模式工作流程

2.5 主要控制程序設計

在選擇自動方式運行時，常開觸點X020被激活，系統中所有的M40常開觸點閉合，因此，系統將在自動模式下運行。與此同時，由于常閉觸點X020在自動狀態回路中斷開，所以在進行自動模式運行的過程中，手動模式將無法使用。唯有通過急停按鈕中斷自動模式的運行才可選擇手動模式。自動模式下，按下啟動按鈕，系統進入待機狀態，機械手同時開始持續執行整體右擺（Y012）、懸臂縮回（Y014）、手臂上升（Y010）和手爪松開（Y007）動作，在滿足該四個動作全部到位的條件之后才可以進行下一步程序。該機械手自動模式部分程序如圖2所示。

圖2 機械手自動模式部分程序

在待機狀態滿足條件時，當工作臺上的光電開關（X003）檢測到有物件時，程序激活，導通M29輔助觸點線圈。此輔助觸點的用處是激活M30線圈，讓系統處于“開始動作”狀態。開始動作狀態滿足后導通Y004線圈，機械手懸臂伸出，因下方Y004常開觸點的導通而自鎖，保持伸出狀態。并且上方常閉觸點Y004動作，機械手停止縮回動作。伸出到位后，對應常開觸點X004閉合，并導通Y005線圈，因Y005常閉觸點阻斷Y010的上升信號而讓機械手手臂下降。

下降到位后激活Y006線圈手爪開始夾緊并進入自鎖狀態；同時時間繼電器T0也開始計時。1.5 s計時結束后T0常開觸點動作，導通M10輔助線圈。此輔助線圈的作用是斷開上方的手臂下降Y005信號。

上升動作到位后X010常開觸點閉合，激活輔助線圈M21，在這里的作用是導通下方的Y011線圈，使得機械手開始左擺。左擺到位后X011常開觸點閉合，導通了M1輔助觸點的線圈并自鎖。

下降到位后X005再次閉合，由于M1自鎖狀態將M7輔助觸點的路徑激活，因此M7導通，阻斷了Y006夾緊信號的自鎖狀態，因而手爪放松；同時，Y006的斷開讓時間繼電器T1線圈線路上的Y006常閉觸點復位，T1開始計時。1.5 s過后，對應所有的T1觸點動作，T1和Y007都進入自鎖狀態。

T1常開觸點繞過前方的T0常閉觸點，直接導通M10線圈，M10線圈再阻斷了Y005的信號，機械手上升。上升到位后，由于T1線圈的自鎖，M21輔助線圈的道路被阻斷，信號只能通過下方打開的T1觸點進入M20輔助線圈，激活M14輔助線圈的自鎖狀態。

T1狀態滿足的情況下，再次導通X014常開觸點，就會激活輔助線圈M12。這個M12的用處有兩個，第一個作用主要是斷開Y011自鎖信號，讓機械手可以按程序斷開左擺狀態，進入右擺復位狀態；第二個作用是切斷該時刻不該動作的一切M輔助信號和Y動作信號。

當機械手右擺到位后，X012常開觸點閉合，導通輔助觸點M31。M31在這里的作用是阻斷機械手的“開始動作”狀態命令，讓機械手必須重新進入待機檢測狀態，等檢測到工作臺上有下一個物件時才可以繼續動作。以上便是機械手的整套自動工作方式。

3 自動化機械手的生產應用

以上機械手的主要功能是負責將工作臺上的物件搬運到指定的另一個傳送帶工作區中，并且進行此狀態下的循環工作。主要用于工作流水線與另一條工作流水線直接的完美銜接。

自動模式下的機械手為正常工作狀態，處于此狀態中的機械手將不間斷地執行固定搬運動作，并且可以通過停止按鈕的功能，更換被搬運物件的種類。手動模式下的機械手為檢修工作狀態。

不論在哪個工作模式下，當員工拍下急停按鈕時，機械手的工作將立刻停止，由此來減少機械手的誤動現象，也就是在突發情況時可以將二次損失的概率降至最低。隨后，等突發情況解除，操作人員松開急停后，系統將自動恢復至最初始工作狀態，從而更利于迅速恢復生產節奏。并且松開后自動復位的功能也減少了人為干預復位的環節，這樣就可以將人員的誤操作發生率降到最低程度。

一方面，當生產流水線的某一段出現故障，導致影響生產，甚至是即將造成危險事故的時候，拍下急停按鈕就可以將損失減小到最低。工業生產中幾乎每臺設備上都會帶有急停功能。

另一方面，現實生活中的企業在生產中非常講究生產效率，當故障被排除后，就需要快速恢復工作狀態。這個急停松開后恢復初始位置的設計，有利于迅速恢復生產節奏。此功能也減少了人為手動復位的環節，這樣就可以將人員的誤操作發生率降到最低程度。

4 結語

綜上可知，這套系統由可編程控制器執行、控制和反饋，自動化程度高。由多種光電開關進行接收信號，傳遞信號，生產過程智能可控制，電路和氣路簡潔可調整，適應多種生產設備和制造系統。機械手可以實現多個自由度的控制和操作，模擬人體器官，而又在工作強度、工作環境等方面超越人體器官，能夠適用于電子元件裝配、無人智能吧臺、流水線上下料、電器碼垛、機床上下物料等多個行業。該套系統從根本上提高了生產效率，體現了柔性生產的特點。