基于智能化生產(chǎn)線的軸承搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)★

劉 歡， 嵇正波， 陳興洲

（1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 淮安 223001； 2.江蘇得熱明精密機(jī)械有限公司， 江蘇 淮安 223001）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人學(xué)已成為近幾十年來(lái)迅速崛起的一門綜合學(xué)科。在當(dāng)今大規(guī)模傳統(tǒng)生產(chǎn)制造行業(yè)中，企業(yè)為了提升制造效能，保證產(chǎn)品質(zhì)量，已普遍開(kāi)始關(guān)注生產(chǎn)制造過(guò)程的自動(dòng)化、智能化水平，工業(yè)機(jī)器人已成為智能化生產(chǎn)線上的關(guān)鍵成員，主要從事搬運(yùn)、碼垛、焊接和噴涂等技術(shù)復(fù)雜性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大或是有一定危險(xiǎn)性的工作[1]。設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手，可通過(guò)傳感器將所感知到的信號(hào)進(jìn)行反饋，讓機(jī)械手具備感知機(jī)能，從而提高其自動(dòng)化作業(yè)水平，以此賦能傳統(tǒng)生產(chǎn)線，逐步實(shí)現(xiàn)其智能化改造，降低運(yùn)行成本的同時(shí)，提高運(yùn)行效率。

1 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)及其工藝流程的確定

機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程自動(dòng)化、提高生產(chǎn)率的核心裝備之一。根據(jù)機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需求，即實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線場(chǎng)景下的兩地物料自動(dòng)搬運(yùn)任務(wù)，機(jī)械手需從傳送帶A 上將軸承坯料類零部件自動(dòng)夾取，并放置到傳送帶B 上，進(jìn)入下一道工序。其工作站整體布局設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 機(jī)械手搬運(yùn)工作站整體布局

根據(jù)上述整體布局和具體場(chǎng)景下的實(shí)際使用需求，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的工藝流程，如圖2 所示。

圖2 機(jī)械手搬運(yùn)工作站工藝流程

2 機(jī)械手關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

通常情況下，完整的伺服機(jī)械手主要包括機(jī)械與傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等部分[2]。機(jī)械與傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括機(jī)械手的手爪、腕部、手臂以及機(jī)身等部件，其中，手爪是機(jī)械手的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要起夾取和放置物料的作用。而手腕、手臂等部件則可視為機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要起改變物料方向和位置的作用。另外，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)充分考慮最大支承重量、工作速度、手臂伸縮行程、最大工作半徑和定位精度等技術(shù)參數(shù)，因未涉及具體參數(shù)，故該部分不作詳細(xì)計(jì)算及校核，設(shè)計(jì)時(shí)僅對(duì)其中的主要組件進(jìn)行探討。

2.1 手爪的設(shè)計(jì)

手爪主要起夾取和放置物料的作用，因而設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其夾緊功能，確保夾持動(dòng)作穩(wěn)定可靠，確保工件的已加工表面不被損壞。對(duì)于剛性不夠理想的工件，夾緊力的大小需設(shè)定為可控制或調(diào)節(jié)，對(duì)于重型的工件則還需考慮使用自鎖裝置，從而保證夾取的安全性。此外，手爪之間還要有適當(dāng)?shù)拈_(kāi)合角度，確保工件準(zhǔn)確定位，并產(chǎn)生合適的強(qiáng)度與剛性。同時(shí)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手用于智能化生產(chǎn)線場(chǎng)景下軸承坯料類零部件的搬運(yùn)，采用如圖3所示的具有夾緊和松開(kāi)裝置的夾持型手爪即可，其夾緊和松開(kāi)動(dòng)作均使用氣壓傳動(dòng)方式完成。

圖3 夾持型機(jī)械手爪

2.2 腕部的設(shè)計(jì)

腕部是連接機(jī)械手的手爪與手臂的部件，腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)主要用于改變被夾工件的位置和方向，要求其動(dòng)作敏捷，工作過(guò)程中慣性較小。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)要求選擇帶有單自由度的旋轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕關(guān)節(jié)即可。

2.3 手臂的設(shè)計(jì)

臂部按照擬設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)行需求，必須具備回轉(zhuǎn)、升降和伸縮3 個(gè)動(dòng)作能力，即相當(dāng)于3 軸機(jī)械手的3 個(gè)自由度，故選擇采用圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式。機(jī)械手的垂直臂主要由2 個(gè)組件所構(gòu)成，與基座相連接的組件是機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，利用電機(jī)帶動(dòng)鏈輪完成機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，而上面的則是機(jī)械臂的升降部分，利用氣壓傳動(dòng)控制機(jī)械臂的升降，而水平臂則用于完成伸縮動(dòng)作。

2.4 機(jī)身的設(shè)計(jì)

機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件，用來(lái)完成臂部的升降或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。傳動(dòng)件均配置在機(jī)身上，隨著機(jī)械手臂部運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的提高，機(jī)身的構(gòu)造和受力狀況也越復(fù)雜，而臂部與機(jī)身結(jié)構(gòu)的配置型式基本上體現(xiàn)了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的總體布局。機(jī)械手的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為固定機(jī)座型式，因而機(jī)械手機(jī)構(gòu)為相對(duì)獨(dú)立的、自成體系的整體裝置，便于安裝與移動(dòng)，并且也可再次配備行走機(jī)構(gòu)。手臂部件安裝于機(jī)座立柱之間，可以依托機(jī)座立柱完成升降動(dòng)作，獲得較大的升降行程。

3 機(jī)械手控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)作為機(jī)械手的“大腦”指揮系統(tǒng)，可通過(guò)操作指令程序和由傳感器反饋的信號(hào)來(lái)控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作和功能，包括動(dòng)作的順序、位置和時(shí)間，甚至是速度與加速度等[3]。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手是以軸承坯料搬運(yùn)為目的的小型圓柱坐標(biāo)式伺服機(jī)械手，采用電力、氣壓以及液壓混合型驅(qū)動(dòng)方式，選用光電傳感器來(lái)判斷傳送帶中有無(wú)物料或是否到位，而機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、升降以及伸縮，則選用電感傳感器和磁性傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。由于用途比較固定，I/O 點(diǎn)數(shù)并不復(fù)雜，故選用三菱品牌小型的FX1N 系列PLC 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。

3.1 控制模式的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手共設(shè)有三種工作模式：

1）手動(dòng)模式。這是針對(duì)實(shí)際情況而開(kāi)發(fā)的人工操作模式，如用于手動(dòng)搬運(yùn)個(gè)別異形物料的場(chǎng)合。

2）自動(dòng)模式。適用于批量的物料搬運(yùn)場(chǎng)合，是使用較為普遍的工作模式。

3）單步模式。適用于只搬運(yùn)一件物料后即停止工作的情況，主要用作完成個(gè)別物料的搬運(yùn)任務(wù)，使用頻次相對(duì)較少。

在設(shè)計(jì)機(jī)械手搬運(yùn)工作站人機(jī)交互界面的控制面板時(shí)，應(yīng)充分考慮上述操作功能鍵的布局，文中不作贅述。

3.2 機(jī)械手控制方案的確定

根據(jù)圖1 的機(jī)械手搬運(yùn)工作站的整體布局以及圖2 的工藝流程，可清晰地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行步驟，然后，分別編寫手動(dòng)程序、復(fù)位程序等，并進(jìn)行調(diào)試和改進(jìn)，確定最終的PLC 控制程序。

必須保證IST 在各段掃描時(shí)間內(nèi)都可以保持運(yùn)行，以M8000 指令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且具備自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作、單步執(zhí)行、單循環(huán)執(zhí)行、復(fù)位、設(shè)備啟動(dòng)以及設(shè)備停止等七種控制功能，因而采用狀態(tài)元件進(jìn)行控制最為合適。將S0～S2 分派給初始狀態(tài)下的手動(dòng)、復(fù)位以及自動(dòng)運(yùn)行（包含單步和單循環(huán)）3 個(gè)程序使用，再將大模塊分拆為若干個(gè)小模板，如將S10～S19 用作復(fù)位模塊，S21～S29 用作自動(dòng)控制模塊。以系統(tǒng)手動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)為例，它是由手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的，其控制梯形圖如圖4 所示。

圖4 手動(dòng)控制梯形圖

分析控制程序，按下啟動(dòng)按鈕，將X1 設(shè)置為1，狀態(tài)元件S0 即獲得激活，然后按下各個(gè)對(duì)應(yīng)的操作按鍵，機(jī)械手即可做出相應(yīng)的動(dòng)作，直至觸碰到限位開(kāi)關(guān)后停止。操作過(guò)程中若當(dāng)機(jī)械手爪執(zhí)行了夾緊或松開(kāi)的動(dòng)作后，手爪將始終處于夾緊或松開(kāi)狀態(tài)，即具有斷電保持功能，從而防止意外發(fā)生。

根據(jù)工藝流程要求，當(dāng)程序啟動(dòng)后必須先讓機(jī)械手完成復(fù)位，即機(jī)械手返回原點(diǎn)位置，方可繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行等其他程序。復(fù)位操作程序原理如圖5 所示。

圖5 復(fù)位程序控制原理圖

分析控制原理，將操作面板上的操作模式調(diào)至復(fù)位模式，即讓狀態(tài)元件S1 獲得激活。按下復(fù)位操作開(kāi)關(guān)，輸入端X15 得電接通，狀態(tài)元件S10 立即獲得激活，輸出線圈Y7 斷電（機(jī)械手的下降動(dòng)作停止），輸出線圈Y2 斷電（手爪松開(kāi)），同時(shí)線圈Y1 得電（機(jī)械手的上升動(dòng)作開(kāi)始）。當(dāng)觸碰到限位開(kāi)關(guān)輸入端X4，狀態(tài)元件S11 立即獲得激活，輸出線圈Y3 斷電（臂部的伸出動(dòng)作停止，開(kāi)始其縮回動(dòng)作）。當(dāng)觸碰限位開(kāi)關(guān)輸入端X7，狀態(tài)元件S12 立即獲得激活，輸出線圈Y6 斷電（機(jī)械手臂的右轉(zhuǎn)動(dòng)作停止，開(kāi)始其左轉(zhuǎn)動(dòng)作）。當(dāng)觸碰限位開(kāi)關(guān)輸入端X10，狀態(tài)元件S13 立即獲得激活，同時(shí)輸出M8043（原點(diǎn)回歸結(jié)束），并自動(dòng)恢復(fù)至狀態(tài)S13，復(fù)位程序執(zhí)行完畢，其梯形圖可根據(jù)原理圖進(jìn)行繪制。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于軸承坯料類零部件兩地自動(dòng)搬運(yùn)生產(chǎn)線的圓柱坐標(biāo)型伺服機(jī)械手，從其整體結(jié)構(gòu)及工藝流程的確定出發(fā)，探討了機(jī)械手的手爪、腕部、手臂以及機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了機(jī)械手控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法。所設(shè)計(jì)的軸承坯料類零部件搬運(yùn)機(jī)械手可賦能傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)其向智能化生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)型升級(jí)，并可為相關(guān)制造行業(yè)生產(chǎn)流水線的自動(dòng)化、智能化改造提供一定的參考與借鑒作用。