并行連桿傳動的紙漿餐盤成型上下料機械手的研究

王威 金麗麗 許方富 朱偉 顏建國 趙瑜

摘要：本文基于機械手的應用背景及硬件參數為基本參照點，對紙漿餐盤成型機械手的總體結構進行分析和設計，分別從手部結構、手腕結構、氣壓動力系統等方面介紹了機械設計的基本思路，結合著PLC技術實現了機械手的運動控制，有效的滿足了制造工藝的基本要求。

關鍵詞：機械手;結構設計;控制系統

引言

目前，紙漿餐盤成型的上下料基本采用人工在烘干機和撈漿機之間來回操作，上下料效率極其低下，對此本文研制了一種一次性紙漿餐盤成型上下料機械手，將人工動作變為機械自動化操作。其系統結構涵蓋機械結構以及控制電路結構兩大部分。不僅大大的減輕了工人的勞動強度，同時還有效的提升了生產效率。

1 機械手結構設計原則

機械手的結構形式直接決定著其基本功能，不同機械結構所實現的運動范圍以及方式是不同的，根據實際的使用需求，本文以圓柱座標式氣動搬運機械手為例進行結構設計。實現紙盤餐具的抓取、搬運等基本功能，使其在實際的工作進程中能夠始終保持著穩固的直立姿態。

2 機械手主要機械部件設計

2.1 手部結構設計

手部結構實現了物體的直接抓取，主要有氣流負壓式和夾持式兩種主要形式[1]，在傳動結構的互相配合下對手部運動進行綜合控制，進而達到抓取物體的主要目的。為了實現手指的靈活動作，采用齒輪和齒條互相配合的傳動方式實現對稱運動，進而控制手指的張開和夾緊。

2.2手腕結構的設計

手腕是機械手部和手臂之間傳動的基本機械部件，設計主要是針對手部動作進行綜合調整，實現靈活的動作控制。在物體的搬運作業當中，物體擺放的位置是固定的，本文的設計結構通過調整手部結構能夠恰當的對物體進行夾持。

2.3氣壓系統的設計

氣壓系統是整個機械裝置的動力所在，通過氣缸的作用在各個機械部件上進而驅動各個部件的動作[2]。這個過程中機械手不僅能夠實現大范圍的回轉和伸縮，同時還要具備一定的精細作業的能力，對此本文采用了雙氣缸的設計方法，以實現精準的控制。雙氣缸的設計方法避免了氣壓系統的頻繁啟停和調整。

3 搬運機械手的運動控制

3.1 控制要求

機械手對物體的搬運不僅按照要求完成指定位置的移動，同時還要具備物體位置的自動檢測和追蹤，實現了精準的計數功能，實時的展示搬運數量等參數，具有較高的控制精度和靈敏度。

3.2 硬件設計

控制系統采用主流的PLC控制技術，為了充分的做好接口的資源利用，系統采用7個I/O口作為輸入，其中涵蓋5個控制信號以及限制信號和執行信號燈信息參數。

3.3 控制邏輯

機械手的所有運動結構都是通過電磁閥來作為基本的執行結構來進行的，實現了上升、下降、左移、右移等基本操作，在多個控制指令的協同操作下，實現機械手的靈活多樣控制，以固定的動作組合進行重復執行，實現完整的控制流程，進而對機械手進行任意動作的調整。

4 上下料機械手的流程及參數設置

本項目研制的上下料機械手主要針對為餐盤，也可以適用于其他紙漿制品，比如碟子、飯盒等等。

4.1 上下料機械手工作流程設計

一次性紙漿餐盤成型上下料機械手用于在撈漿機和烘干機之間來回上下料鐵絲網及附著的紙漿餐盤。

烘干機內設有第一鐵絲網，撈漿機內設有第二鐵絲網，一次性紙漿餐盤成型上下料機械手內設有第三鐵絲網。在撈漿機位置時，機械手的下層濾網抓取模塊用于將有紙漿的第二鐵絲網從撈漿機內取出，機械手上層濾網抓取模塊用于將空的第三鐵絲網放入撈漿機內撈漿。在烘干機位置時，機械手上層濾網抓取模塊用于從烘干機內取出已烘干的第一鐵絲網，機械手下層濾網抓取模塊用于將第二鐵絲網放入該烘干機內。在完成機械手上層濾網抓取模塊將烘干機內取出已烘干的第一鐵絲網后，餐盤下料模塊將第一鐵絲網內的紙漿餐盤成品通過真空吸走;并在機械手處在撈漿機位置時，將紙漿餐盤成品放掉并外部回收。

4.2 機械手關鍵參數確定

機械手各個部位的最大速度和負載能力是機械手設計過程中所必須考慮的技術參數。機械手最大速度與電機的額定轉速、減速器的減速比、同步帶輪節徑或齒輪節徑有關。負載能力與電機的額定轉矩、減速器的減速比、同步帶輪節徑或齒輪節徑有關。在電機的額定轉速一定的情況下，減速比越小、帶輪（齒輪）節徑越大，機械手能夠達到的最大速度便會越大。

X軸關鍵參數求解：

已知數據：減速器型號：PB90-10;伺服電機：ECMA-C21010SS;斜齒輪：HGL40-M2-21-22;斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節圓直徑：d=mz/cosβ=2*21/cos19.528=44.56mm;

電機轉1圈時，齒條運動距離為：

L=π*d/減速比=3.14*44.56/10=13.99184mm

Z軸關鍵參數求解：

已知數據：減速器型號：PB120-40;伺服電機：ECMA-E21320SS;斜齒輪：HGL40-M2-30-32;

斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節圓直徑：d=mz/cosβ=2*30/cos19.528=63.66mm;

電機轉1圈時，齒條運動距離為：

L=π*d/減速比=3.14*63.66/40=4.99731mm

同步帶關鍵參數求解：

已知數據：同步帶輪5M-齒數20，節圓直徑d=31.83mm;

同步帶輪轉一圈，滑塊距離：L=π*d=3.14*31.83mm=100mm;

電機轉速：900r/min;

滑塊運動距離500mm所需時間為：1秒;

4.3 機械手主要結構設計

一次性紙漿餐盤成型上下料機械手的主要構造包括龍門架、移動部分和電控柜。上下料機械手移動部分主要以X軸、Z軸以及吊籃結構為主。機械手為5軸，分為橫軸、縱軸、取料上框、取料下框、下料。X軸和Z軸可分別實現水平和豎直兩個方向的運動，其主要由齒輪、齒條、直線導軌、減速器、1kw伺服電機、2kw伺服電機、焊接豎直立梁和塑料拖鏈等零部件組成，配備直線導軌滑塊自動加油功能。其中，油路潤滑系統包括了自動油泵、卸壓式油路分配器、流體控制閥和油嘴接頭等零部件，具備導軌滑塊定時定量自動注油潤滑，可實現X-Z軸以及吊籃兩條潤滑油路的分開控制。

5結語

隨著我國制造業的發展，對于各種半自動化的應用場景的要求越來越高，結合著實際工況設計最佳的結構形式和控制系統才能滿足日益多元化的工業自動化需求，本文設計的機械手結構具有動作靈活、反應敏捷以及可靠性高的基本功能，有效的滿足了餐盤成型過程中制造工藝的基本要求。

參考文獻

[1]陳廣慶，雷琳琳，夏信堂，王吉岱.基于功能原理的全自動餐具分揀包裝生產線的研究[J].制造業自動化，2014，36（22）：116-118+125.

[2]江麗珍，段海峰，趙易，劉楚生.基于PLC的注塑機械手自動取件系統設計[J].塑料，2021，50（02）：82-86.

作者簡介：王威（1986-10），男，漢，浙江臺州人，碩士學歷，中級工程師，主要從事電力電子控制的研究。