稀土金屬錠自動上料裝置的設計與實現*

田 泉，殷 歡

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

1 概述

隨著我國工業水平的不斷提高，傳統勞動密集型制造企業轉型升級的需求越來越迫切，機械自動化產品以其生產效率高、生產成本低、安全性高等優點廣泛應用于制造行業。以稀土行業為例，在稀土金屬錠的生產過程中，傳統的人工上料方式不僅效率低下，而且還存在安全風險。

本文設計了一套稀土金屬錠上料裝置用于替代傳統人工運輸塊狀類物料，包含有進料臺、儲料倉、出料臺、垂直滑臺、水平滑臺和機械手爪等部件，可實現自動進料抓取、料倉緩沖儲料和自動抓取出料等功能。要求上料裝置能夠自動從進料平臺送料到出料平臺，然后自動將進料平臺的金屬錠存儲到儲料倉，再從儲料倉取料送至出料平臺，其中，儲料倉的容積應不少于100塊稀土金屬錠[1-4]。

本文所述稀土金屬錠的形狀類似于矩形梯臺狀，受澆鑄工藝等影響，形狀偏差較大，六個面凹凸起伏明顯，平面度偏差量最大可達到±10 mm。為便于理解，本文仍以矩形梯臺名稱來描述稀土金屬錠，認定梯臺大臺面的長為長，大臺面的寬為寬，大臺面與小臺面之間的距離為高，則稀土金屬錠尺寸為長×寬×高（單位為mm）：（215±15）×（125±15）×（85±15），拔模角按13°計算，最大質量按15 kg 計算。

設計時具有以下幾個難點：一是由于稀土金屬錠的特殊性，機械手爪如何適應稀土金屬錠外形和尺寸的較大偏差，保證抓取的穩定性和可靠性問題；二是如何對每塊稀土金屬錠的外形進行檢測；三是機械手爪的尺寸受空間限制的問題。

2 自動上料裝置的總體結構設計

自動上料裝置的總體結構[5-6]包括進料臺、出料臺、儲料倉、桁架、水平滑臺、垂直滑臺和機械手爪等主要部件，如圖1 所示。

圖1 自動上料裝置總體結構

進料臺是一臨時儲料平臺。上一道工序完成后，稀土金屬錠被送至此處等待自動上料。出料臺是連接下一道工序的臨時儲料平臺。當出料傳感器檢測到此處有物料時，下一道工序可從此平臺取走金屬錠。出料臺金屬錠未取走之前，自動上料裝置不會繼續上料，而是將進料臺處的金屬錠搬至儲料倉緩存，等到出料臺和進料臺均無金屬錠時，再將儲料倉中緩存的金屬錠搬運至出料臺。儲料倉是用于存儲物料的部件，由多個單元組成，每個單元可以堆疊若干塊金屬錠。

桁架是滑臺的支撐框架，同時也是進料臺和出料臺的安裝架。水平滑臺安裝在桁架上方，機械手爪在水平滑臺上做水平方向移動，有效行程3 m，最大移動速度400 mm/s，載荷60 kg。垂直滑臺安裝在水平滑臺的活動架上，整體由水平滑臺控制其水平方向運動。機械手爪在垂直滑臺上做垂直方向移動，有效行程1.2 m，最大移動速度333 mm/s，載荷40 kg。機械手爪用于物料的抓取，安裝在垂直滑臺的下端，整體由垂直滑臺控制其上下方向運動。

3 自動上料裝置的零部件設計

3.1 進料臺的設計

進料臺主要由進料托盤和進料托盤支架兩部分組成，進料托盤安裝在進料托盤支架和桁架的入口側橫梁上，進料托盤支架也固定在桁架的入口側橫梁上[7]，如圖2所示。

圖2 進料臺

進料托盤采用不銹鋼材料制作，主要由底板、端擋板和側導向板組成，如圖3 所示。兩側對稱布置的側導向板呈喇叭口形。儲料位置在末端，并設有端擋板進行限位。末端兩側開有缺口，用于避讓機械手爪手指的運動。底板在靠近末端的中間位置開有通孔，是傳感器探測物料的通道。傳感器固定安裝在通孔下方的進料托盤支架上。

圖3 進料托盤

3.2 出料臺的設計

出料臺主要由出料臺架、出料推料機構和物料檢測傳感器組成[8]，如圖4 所示。出料臺架是出料臺的主體結構，上方是放置物料的平臺，兩側設有側擋板，出料推料機構安裝在其內部中間位置，出料臺架的進出兩端分別布置有一個物料檢測傳感器。出料臺架的進口側（圖中右側）是機械手爪送料到達位置，因此，設置有避讓手爪手指運動的缺口。

圖4 出料臺

出料推料機構由一氣缸帶動一塊刮板，實現對物料推送的目的。其中，刮板上設置了自動翻轉機構，便于在出料臺架進口側有物料時及時回位。

3.3 儲料倉的設計

儲料倉主要由若干組開門式料倉單元和料倉底座組成，如圖5 所示。開門式料倉單元呈直線等距排列，通過螺栓固定安裝在料倉底座上。本設計按每組開門式料倉單元存儲8 塊稀土金屬錠計算，為達到100 塊的總存儲容量，設置了13 組開門式料倉單元，至少可存儲104塊稀土金屬錠。

圖5 儲料倉

3.4 桁架的設計

桁架[9]主要包括兩個龍門架、兩根上橫梁和兩根下橫梁，如圖6 所示。上橫梁及下橫梁都是通過螺栓與龍門架固定連接。上橫梁上方焊接有安裝板，用于安裝水平滑臺。下橫梁上開有安裝孔，用于進料臺和出料臺的固定安裝。

圖6 桁架

3.5 機械手爪的設計

機械手爪主要由手爪架、氣缸、連桿、夾爪座、夾爪和襯墊等組成，如圖7 所示。手爪架是整個機械手爪的安裝基礎。氣缸末端與手爪架通過法蘭連接。兩根連桿一端與氣缸的叉頭通過銷松配合連接。兩根連桿的另一端分別與兩夾爪座通過銷松配合連接。夾爪與夾爪座通過螺栓固定連接。夾爪座可以帶動夾爪在手爪架下部的平臺導槽內滑動，由氣缸伸縮帶動連桿驅動夾爪座移動，實現夾爪的夾持動作。為增強夾爪在夾持稀土金屬錠時的摩擦力，設置了具有較大彈性的耐磨板襯墊。

圖7 機械手爪

3.5.1 夾爪的設計

夾爪主要由夾指、滑塊和螺釘組成，如圖8 所示。夾指上部有一圓臺，松配合插入到滑塊的孔中，可繞孔中心旋轉一角度，從而使得夾爪在夾持稀土金屬錠時具有少量的調整空間，保證夾持穩定可靠。另外，夾爪的下部末端設有一凸臺，一方面可以定位襯墊，另一方面可以增加一層保護功能，防止夾持摩擦力不足時被夾持稀土金屬錠脫落。

圖8 夾爪

3.5.2 機械手爪受力分析

機械手爪的受力分析可簡化為如圖9 所示，其中，F拉為氣缸的拉力，當OA和OB等長，表示為連桿的長度時，OO1則表示氣缸的運動行程，連桿與垂直方向的夾角為α，兩連桿間的夾角為2α，AB可為控制夾持夾爪的間距，F1和F1'為F拉的分力，大小相等，F夾與F夾'的大小也相等。

圖9 機械手爪受力分析

要保證夾持物體不滑動，單側夾爪夾持的最大靜摩擦力必須不小于被夾持物體重量的一半。計算選擇氣缸型號時，有兩方面的要求，首先氣缸的向上拉力必須大于被夾持物體的重量，其次還要保證兩側夾持力所產生的最大靜摩擦力和也不能小于被夾持物體重量。即：其中，η為摩擦因數，m為被夾持物體的質量，g為重量加速度。

因此，要增大摩擦力，可通過增加摩擦因數或增加α角。因為夾持的稀土金屬錠尺寸偏差較大，既要適應最大尺寸，又要適應最小尺寸的稀土金屬錠，而增加α角受到較大制約，因此增大摩擦因數是主要方法。

3.5.3 機械手爪的參數校驗

由于受布置空間限制，連桿的尺寸不可太長，設計OA和OB的長度均為135 mm，選擇缸徑為32 mm的氣缸，行程為100 mm。當氣缸伸出70.7 mm 時，可夾持最大尺寸為230 mm 的稀土金屬錠，此時α角為58.4°；當氣缸伸出90.7 mm時，可夾持最小尺寸為200 mm 的稀土金屬錠，此時α角為47.8°。由于角度越大，夾緊力越大，故取最小值47.8°進行校驗。

取氣缸氣壓為0.5 MPa 進行計算，因安裝原因，氣缸是在拉力狀態實現夾取，標準缸徑32 mm 的氣缸桿徑為20 mm，此時氣缸的拉力F拉=245 N，在α角為47.8°時，參照橡膠與鑄鐵的靜摩擦因數0.8 計算。

夾持的最大靜摩擦力f=ηF拉·tanα=0.8*245*tan47.8°>mg=15*9.8=147 N，符合設計目標。

4 PLC控制設計

4.1 硬件設計

稀土金屬錠自動上料裝置[10]的硬件系統主要由PLC 控制器、觸摸屏、電源模塊、伺服電機、伺服驅動器、交換機等組成，其硬件系統框圖如圖10所示。

圖10 硬件系統框圖

4.2 軟件設計

稀土金屬錠自動上料裝置軟件部分的設計是其控制系統的核心，主要實現人機交互、運動控制、對不規則稀土金屬錠的上下料算法、通信、保護控制、自檢等功能，控制系統主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 控制系統主程序流程圖

當稀土金屬錠自動上料裝置上電后，按下復位按鈕，系統將進行自動復位，自檢無誤后觸摸屏顯示自動就緒狀態。當按下啟動按鈕，系統進入自動狀態，等待進料口感應器檢測到有料，此時判斷出料口是否需求上料。如果請求上料，機械手將定位到進料口，Z軸伺服電機將下降取料，并測出稀土金屬錠的高度，接著機械手將定位出料口放料，Z軸伺服將按照計算出的稀土金屬錠高度進行放料，減少過高放料造成的位置偏差及振動噪音的影響。如果出料臺不請求上料，則判斷儲料倉是否滿倉，如果不滿倉，則放置到儲料倉中。如果出料臺請求上料而進料臺沒有金屬錠時，則從儲料倉中抓取金屬錠到出料臺。在軟件設計中，根據稀土金屬錠自動上料裝置硬件部分功能模塊，將軟件程序分為PLC 控制器主程序、伺服定位程序、位置計算程序及觸摸屏組態程序等模塊，各個模塊之間相互獨立，互不影響。主程序能夠有效地協調各個模塊之間的工作，完成自動上料裝置自動上料緩存的過程。

5 使用效果對比

稀土金屬錠自動上料裝置實際投入生產使用后，儲料倉可以存儲至少104 塊稀土金屬錠，符合每班次（8 h）產量，無需人工上料，實現了工廠每班次減員1人的目標，具有較好的應用前景和推廣價值。

6 結論

通過優化機械手爪結構、精確布置傳感器和優化PLC 控制算法，稀土金屬錠自動上料裝置的創新設計不僅提高了設備的自適應能力，實現了稀土金屬錠的自動上下料，而且顯著提升了生產的安全性。在實際應用中，該裝置的儲料倉可容納大量稀土金屬錠，滿足每班次的生產需求，從而降低人工成本。實踐證明，該裝置具有廣闊的應用前景和推廣價值。