基于工業機器人的夾取報告書執行器設計＊

廣州城市理工學院機械工程學院 林子皓 楊嘉明 李杰 賴偉杰 劉思莉

為解決紙質報告的整理消耗人力的問題，利用工業機器人操作專門的夾取執行器，實現紙質報告的搬運工作。項目針對報告特性進行夾取工藝與執行器結構設計，為實現機器人對夾取執行器的控制：機械結構使用多個非標零件，實現執行器連接機器人法蘭盤與執行器整體裝配；使用兩組步進電機單線導軌作為執行器主體，利用真空吸盤抓取，以PLC 為夾取執行器核心進行驅動執行器活動與執行器和機器人通訊，聯合PLC 與機器人進行搬運程序設計完成相應功能。

運用工業機器人代替人力來完成繁瑣且簡單的物品整理工作[1]。近年來，隨著高校招生數量增長，紙質報告材料的數量增加，使這些紙質報告成了老師們頭痛的問題。為了代替人力完成紙質報告的整理工作，工業機器人將使用夾具進行紙質報告的搬運作業，針對紙質報告的特性設計高精度夾具由工業機器人使用[2,3]，夾具模塊以PLC 為核心進行設計，由機器人對PLC 進行指令控制[4,5]，將大幅度地提高工作效率與降低人力成本，因此，機器人能夠很好地代替人力勞動滿足整理大量報告的需求。

1 抓取工藝設計

根據本項目的作業對象來針對性地去設計抓取方式。項目現階段的作業對象為高校學生所產出的紙質報告，報告的材料為紙質，長297mm，寬210mm，厚度為1 ～3mm，其定裝方式在報告的同一側使用訂書機進行固定，如圖1 所示中的樣式2，擺放方式為疊加擺放如圖1所示中的樣式1。

圖1 報告堆疊與定裝Fig.1 Report stacking and fixing

項目采用吸盤的方式用于夾具與作業報告書進行物理接觸，接觸位置為圖1 中報告裝訂一側，項目采用帶有彈簧緩沖裝置的小型吸盤，利用依靠真空吸力吸附零件進行對目標的抓取，操縱氣閥控制氣流的進出達到工件的吸附和釋放。

由于報告的擺放方式為疊加擺放，且為當邊訂裝，因此，在抓起方式的選擇上就難以以多個吸盤通過吸附報告整個平面的方式進行固定與搬運。在抓起的方式上我們選擇通過吸附報告訂合的這一個部分進行抓起，同時設計可以對報告進行盛放與收納的墊板，如圖2 所示，利用吸盤將報告吸起然后向著夾具內部進行拖拉收納的動作，而在吸盤將報告向內部收納的同時，工業機械臂將配合夾具的收納動作，作出一個向前推送的動作，使得報告保持在原本的位置，將報告收納進在夾具墊板內后，將其進行搬運，再以同樣的方式將其放置。

圖2 報告抓取示意Fig.2 Schematic diagram of report capture

2 夾具結構設計

用于搬運紙質報告的工業機器人夾爪，總體結構如圖3 所示，包括L 型連接塊法蘭盤（1）、L 型托盤連接塊（2）、承物板（3）、T 型連接塊（4）、真空吸盤安裝塊（5）、U 型連接塊（6）、單程絲桿滑軌（7）、單軸絲桿滑軌（8）。

圖3 夾具總結構圖Fig.3 General structure diagram of fixture

工業機器人夾爪采用兩組長度分別為的300mm 與150mm 單程絲桿滑軌作為末端執行器夾具的主體，其裝配方式使用U 型連接塊（6）進行銜接，單程絲桿滑軌（7）的移動滑塊裝有U 型連接塊（6），所述U 型連接塊（6）同時與單軸絲桿滑軌（8）連接，如圖4 所示。

圖4 Y 軸絲桿零件裝配圖Fig.4 Assembly drawing of Y-axis screw rod parts

夾爪作為機械臂的末端執行器，執行器采用專門設計的L 型連接塊法蘭盤（1）裝配于機械臂第六軸末端，L 型連接塊法蘭盤（1）另一端連接單程絲桿滑軌（7），利用底部的凹槽，通過螺絲進行安裝固定，同時所述的單程絲桿滑軌（7）的側面裝有L 型板連接塊（2），所述L 型板連接塊（2）與承物板（3）連接如圖4 所示。

T 型連接塊（4）通過螺絲裝配在單軸絲桿滑軌（8）的前端；T 型連接塊（4）的底部與真空吸盤安裝塊（5）連接；所述真空吸盤安裝塊（5）兩端將裝配兩個真空吸盤連接，中間設有豎立平面安裝紅外傳感器，如圖5所示。

3 程序設計

程序設計包括西門子PLC 程序設計與ABB 工業機器人程序設計。

項目選擇的是西門子PLC 的型號是s7-1200,夾取執行器邏輯程序的編寫以梯形圖形式進行，使用SFC 的程序編寫邏輯，將整個自動化程序分為五大部分，分別為：

（1）主副軸初始原點回歸；（2）運動指令等待區間；（3）復位程序；（4）抓取工件并收納程序；（5）放置工件程序。如圖6 所示為PLC 抓取程序流程。同時，通過工業機器人配合PLC 抓取流程調用抓取位置與報告放置位置。

圖6 PLC 抓取程序流程Fig.6 PLC grab program flow

使用PLC 對步進電機進行脈沖控制，利用PLC 輸出端輸出脈沖信號給步進電機，通過控制脈沖數來控制電機旋轉度數與速度，從而控制滑軌滑塊的移動位置與移動速度。控制指令以PLC 輸入輸出IO 端口與工業機器人外置延展IO 端口進行，輸入輸出各取3 個字節，以二進制的方式，由工業機器人輸出十進制信號指令，通過IO 口轉換為二進制數據發送至PLC 的IO 端。其中PLC 輸入端I2.0 為首位，I2.1 為第二位I2.2 為末尾;輸出端Q2.0 為首位，Q2.1 第二，Q2.2 為末位;當機器人輸出十進制信號1 時，PLC 接收到二進制信號001。IO 分配標如圖7所示。

圖7 西門子PLC I/O 分配表Fig.7 Siemens PLC I/O allocation table

工業機器人碼垛程序主要為運行位置計算程序，通過分揀程序進行標注，標注好這個序號的文件屬于第幾組第幾號位置，再執行抓取與放置程序對位置數據進行調用。運行位置計算子程序如下：

PROC WZJS()

FOR A1 FROM 1 TO 3 DO

FOR B1 FROM 1 TO 50 DO

YLWZ{A1,B1} := offs(CS,0,347*(A1-1),B1);

ENDFOR

ENDFOR

FOR A1 FROM 4 TO 6 DO

FOR B1 FROM 1 TO 50 DO

YLWZ{A1,B1} := offs(CS,385,347*(A1-4),B1);

ENDFOR

ENDFOR

ENDPROC

運動位置程序在每一次執行項目分揀程序前都將執行一次生成所有目標點位置姿態，本項目程序將分為6大組位置，以CS 即文件初始放置的待分揀區為第一組，而二組與第三組分別為以位置CS 為參照做y軸相對偏移的位置。

當A1=1 時為第一組，即初始位置CS，此時x軸與y軸為初始位置不做偏移，但z軸根據B1 的重復逐漸遞增，對應著同一個位置逐漸堆疊的文件高度；當A1=2 時為第二組，以位置CS 為參照做y相對偏移347mm，z軸同樣原理；當A1=3 時為第三組，y相對偏移347×2mm。當A1=5 或6 時y軸做同樣原理的相對偏移，但A1 ≥4時x軸以位置CS 為參照相對偏移385mm。每一次位置生成后對應生成位置時A1 與B1 的數值，將位置存儲到相應的YLWZ{A1,B1}記憶位置。

4 結語

在工業機器人紙質報告整理作業項目中，針對紙質報告的特性設計夾爪，達到能抓取紙質報告的效果。對夾爪和工業機器人的信號通訊進行調試使工業機器人能夠控制夾爪抓取報告并對其進行搬運，本項目可以應用于工業機器人的實踐教學和對報告進行抓取的工作中，實現解放人力勞動與高效排序整合。

引用

[1] 張洪森,趙玉紅,劉添,等.ABB工業機器人碼垛實現[J].工業控制計算機,2019,32(12):62-63.

[2] 司震鵬,曹西京.機器人氣動手爪的設計與研究[J].液壓與氣動,2009(9):28-30.

[3] 張艷朋,胡建,葛麗敏,等.一種鉛錠搬運機器人真空吸附夾具的設計與分析[J].機床與液壓,2016,44(05):142-145.

[4] 江華生,李鳴,高素萍,等.基于PLC的步進電機控制技術[J].自動化技術與應用,2006(10):54-56+65.

[5] 黃崢,古鵬.基于S7系列PLC通訊方式與設計研究[J].機電工程技術,2010,39(6):45-48+166.