自動化生產(chǎn)線空調(diào)面板裝配機械手的設(shè)計

談宏華，楊帆，胡學(xué)軍

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

自動化生產(chǎn)線空調(diào)面板裝配機械手的設(shè)計

談宏華，楊帆，胡學(xué)軍

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

為提高生產(chǎn)效率與減輕工作強度，設(shè)計了一種應(yīng)用于空調(diào)生產(chǎn)線空調(diào)面板裝配的氣動機械手．機械手由裝配執(zhí)行機構(gòu)與自動控制系統(tǒng)兩部分組成．裝配執(zhí)行機構(gòu)采用氣壓傳動方式，選用雙作用活塞氣缸和擺臺組合具有6自由度帶有冗余的機械結(jié)構(gòu)，面板爪具安裝有真空吸盤和緩沖彈簧具有柔性接觸特性；自動控制系統(tǒng)以西門子S7－200型可編程邏輯控制器作為控制器，在STEP 7 MicroWIN平臺采用梯形圖語言設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)的控制程序，通過判斷限位條件，實現(xiàn)實時監(jiān)控、運行控制和安全保護．生產(chǎn)使用結(jié)果表明該氣動機械手能夠?qū)崿F(xiàn)將面板從1號生產(chǎn)線搬運至2、3號線中與機座對接，單個裝配時間符合技術(shù)要求，具有結(jié)構(gòu)靈活、操作方便，性價比高，滿足生產(chǎn)線工作需求．

氣動機械手；空調(diào)面板裝配；可編程邏輯控制器

0 引言

近年來，勞務(wù)成本提高，現(xiàn)代化自動生產(chǎn)線優(yōu)勢逐漸明顯．自動化生產(chǎn)線是機械結(jié)構(gòu)與電氣控制結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)線上產(chǎn)品的加工工序特性，設(shè)計出能提高生產(chǎn)效率、減少勞務(wù)成本的機械手裝置［1－2］．生產(chǎn)線中機械手的種類繁多、應(yīng)用廣泛［3－7］．筆者將從機械設(shè)計和電氣控制設(shè)計兩個方面詳細(xì)介紹一種用于自動化生產(chǎn)線中空調(diào)面板裝配的氣動機械手．機械手設(shè)計要求動力源獲取方便，工作元器件穩(wěn)定可靠易維修更換，實現(xiàn)6自由度控制，一次工作流程滿足生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍．

1 機械手結(jié)構(gòu)與氣動回路設(shè)計

1.1 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣動機械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在龍門架頂部裝有一個平移作用氣缸及移動滑輪組，用來運載機械手及控制面板的左右移動．移動滑輪組（如圖1）為兩組動滑輪構(gòu)成，根據(jù)動滑輪原理，機械手移動行程距離是平移缸缸桿伸出距離的4倍，此結(jié)構(gòu)彌補平移缸行程短的缺點．在龍門架下側(cè)，提升氣缸、齒輪齒條式擺臺使機械手在垂直、水平方向運動．由于空調(diào)面板外形為圓弧狀，常規(guī)支腳、吸盤結(jié)構(gòu)不易貼合面板，設(shè)計在支腿上安裝有緩沖彈簧裝置，吸盤關(guān)節(jié)具有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的爪具，如圖2所示，與面板對接過程實現(xiàn)柔性貼合，加強了自適應(yīng)能力．

圖1 機械手結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of the pneumatic manipulator

圖2 移動滑動組及爪具圖Fig.2 The moving slide group and grippers

1.2 機械手氣動回路設(shè)計

氣動回路如圖3所示．圖3中氣缸A用于控制機械手左行與右行，氣缸B用于控制機械手提升與下降，行程位置處裝有磁性限位開關(guān)A0、A1、B0、B1，判斷其左右、上下的到位狀態(tài)．氣缸B為防止載荷搬運過程中受重力影響，在有桿腔排氣口設(shè)計氣壓鎖，防止面板下滑．齒輪齒條式擺臺C用于控制機械手旋轉(zhuǎn)，使爪具在水平方向運動，行程處裝有兩個磁性限位開關(guān)C0、C1．?dāng)[臺C帶有角度調(diào)整螺釘，設(shè)置擺動角度范圍，控制面板旋轉(zhuǎn)符合空調(diào)底座與生產(chǎn)線的角度差．采用4個真空吸盤吸抓面板，方便與弧形面板接觸，并保護其涂層完整．真空發(fā)生器D用于控制爪具吸盤抓取與釋放，抓取時真空壓力達(dá)到設(shè)定值，面板與爪具切合牢固，可以裝配；到達(dá)釋放位置，破壞真空，完成裝配．氣缸A、B、C均采用出氣節(jié)流調(diào)速，在排氣接口安裝速度控制閥，實現(xiàn)速度控制［8］．

圖3 機械手氣動回路圖Fig.3 Pneumatic circuit of the pneumatic manipulator

2 機械手軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機械手地址分配

根據(jù)機械手輸入輸出點數(shù)要求，且預(yù)留設(shè)備更新的備用接口，選擇西門子S7－200系列中央處理器224（Central Processing Unit，以下簡稱：CPU）作為控制器，增加數(shù)字量輸入輸出模塊EM223．此控制系統(tǒng)總共帶有18路數(shù)字量輸入、14路數(shù)字量輸出．機械手輸入／輸出（Input／Output，以下簡稱：I／O）地址分配如表1所示．

2.2 機械手動作流程設(shè)計

機械手工作分為維修模式和正常模式．系統(tǒng)上電后，通過旋鈕選擇模式．

維修模式：撥動單一旋鈕操作對應(yīng)電磁閥，電磁閥驅(qū)動相關(guān)氣缸完成操作動作，實現(xiàn)單步控制．

自動模式：根據(jù)實際工位操作需求，設(shè)置抓取旋鈕和釋放旋鈕．在工作起始點，撥動抓取旋鈕，面板將被移動至釋放工位；撥動釋放按鈕，完成面板與底座裝配，之后自動回起始點，等待下次操作指令．

機械手裝配面板動作流程如下：

a．抓取過程．抓取旋鈕置位，提升氣缸向下移至下極限位（2DT通電）—爪具吸盤抓取面板（4DT通電）—提升氣缸向上移至上極限位（2DT失電）—平移氣缸向右移至右極限位（1DT通電）、擺臺順時針擺動至右極限位（3DT通電）—等待下一步指令．

b．釋放過程．釋放旋鈕置位，提升氣缸向下移至下極限位（2DT通電）—爪具吸盤釋放面板（5DT通電）—提升氣缸向上移至上極限位（2DT失電）—平移氣缸向左移至左極限位（1DT失電）、擺臺逆時針擺動至右極限位（3DT失電）—機械手回到工作起始點（1、2、3、4、5DT復(fù)位清零）.

表1 機械手I/O地址分配Table 1 Input and output address assignment

2.3 程序設(shè)計

面板裝配過程程序設(shè)計，采用邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu).在本設(shè)計中，考慮限位條件判斷較多，通過邏輯表達(dá)式描繪組合邏輯電路，思路更加清晰［9］.判斷條件后直接驅(qū)動電磁閥，程序結(jié)構(gòu)簡單.邏輯表達(dá)方程：（注：M0.4為抓取過程輔助中間繼電器；M0.5為釋放過程輔助中間繼電器；M21.2為釋放過程提升延遲輔助繼電器；T40為釋放過程提升延遲計時器）

3 機械手測試

在實際工況下測試機械手如圖4所示，經(jīng)測量面板左右移動距離2 000 mm，提升下降距離范圍350 mm，水平旋轉(zhuǎn)角度0°～75°.機械手氣動系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在0.7 MPa，通過節(jié)流阻尼螺釘調(diào)整保證抓具移動迅速且運行平穩(wěn)，平移缸、提升缸活塞伸出速度保持在500～550 mm／s，擺臺穩(wěn)定擺動時間范圍1s／90°.空調(diào)面板自重5 kg左右，真空發(fā)生器設(shè)定壓力開關(guān)為－40 kPa，4個吸盤抓取合力遠(yuǎn)大于面板重力，保證搬運過程無脫落可能.測試結(jié)果表明，機械手裝配工序周期18 s，移動快速平穩(wěn)，操作簡單，精減工位，提高效率.機械手成功將生產(chǎn)線中裝配面板工位工人人數(shù)由3人減少為1人，工人操作機械手運行取代繁重體力.

4 結(jié)語

結(jié)合實際工況研制的輔助裝配機械手，經(jīng)試驗滿足工況要求，氣源經(jīng)過過濾減壓閥送入氣動系統(tǒng)保證壓力穩(wěn)定，S7－200作為控制器穩(wěn)定性高，SMC伸縮氣缸和擺臺滿足所需6自由度的快速移動要求.在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，該機械手裝配過程達(dá)到20 s內(nèi)工序節(jié)拍要求，實現(xiàn)面板與對接機座裝配.在本設(shè)計中，移動滑輪組使短行程氣缸完成大跨距工況，爪具支腿與吸盤的改良實現(xiàn)機械手與面板柔性貼合.程序設(shè)計采用邏輯結(jié)構(gòu)，方便維護，拓展性高.

圖4 機械手實物圖Fig.4 Physical map of the pneumatic manipulator

致謝

武漢華遠(yuǎn)控制技術(shù)有限公司在設(shè)備研制過程給予了大力支持，在此表示誠摯的感謝！

［1］杜玉紅，李修仁.生產(chǎn)線組裝單元氣動搬運機械手的設(shè)計［J］.液壓與氣動，2006（5）：16－18.

DU Yu-hong，LI Xiu-ren.Design of pneumatic manipulator for assembly uniting production line［J］.Hydraulics and Pneumatics，2006（5）：16－18.（in Chinese）

［2］師亞娟，劉欣.自動化生產(chǎn)線物料搬運站的設(shè)計［J］.計算技術(shù)與自動化，2013，32（2）：48－51.

SHI Ya－juan，LIU Xin.Design of handing workstation of automaticproductionlinesystem［J］.Computing Technology and Automation，2013，32（2）：48－51.（in Chinese）

［3］張軍，周榮晶，陶衛(wèi)軍．小型室內(nèi)搬運用移動機器人的研制［J］．化學(xué)工程與裝配，2011（11）：39－42．

ZHANG Jun，ZHOU Rong-jing，TAO Wei-jun．Transport developed by a small indoor mobile robots［J］．Chemical Engineering and Equipment，2011（11）：39－42．（in Chinese）

［4］崔成辰.基于FX2N可編程控制器的機械手控制系統(tǒng)［J］．機械工程與自動化，2014（3）：151－153．

CUI Cheng－chen.Manipulator control system based on programmable logic controllerFX2N［J］．Mechanical Engineering and Automation，2014（3）：151－153．（in Chinese）

［5］倪敬，程樂平，劉湘琪，等．五自由度液壓伺服機械手研制［J］．機電工程，2014，31（5）：595－599．

NI Jing，CHENG Le－ping，LIU Xiang－qi，et al．Design of hydraulic servo manipulator with five degree of freedom［J］．Mechanical and Electrical Engineering，2014，31（5）：595－599．（in Chinese）

［6］張政潑，廉曉明，陳靜．全自動生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)的設(shè)計［J］．機械工程與自動化，2014（6）：179－180．

ZHANG Zheng-po，LIAN Xiao-ming，CHEN Jing．Design of conveying system of fully automation roduction line［J］．Mechanical Engineering and Automation，2014（6）：179－180．（in Chinese）

［7］郭聳．水平四自由度裝配機器人的設(shè)計及其運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析［D］．上海：上海交通大學(xué)，2007．

GUO Song．Design and analysis of kinematics and dynamics simulation level four degrees of freedom of assemblyrobot［D］．Shanghai：ShanghaiJiaoTongUniversity，2007．（in Chinese）

［8］劉延俊．液壓與氣壓傳動［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

LIU Yan－jun．Hydraulic and pneumatic［M］．Bei Jing：Machinery Industry Press，2007．（in Chinese）

［9］田效伍．電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

TIAN Xiao-wu．Electrical control and PLC application［M］．Beijing：MachineryIndustryPress，2007．（in Chinese）

Design of pneumatic manipulator of assembly machine

TAN Hong－h(huán)ua，YANG Fan，HU Xue－jun
School of Electrical and Information，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

A pneumatic manipulator was designed for in air condition panel assembly of the production line of a air condition company to improve the production efficiency and reduce the working intensity．The manipulator was made of assembly actuator and automatic control system．The assembly actuator was designed by pneumatic transmission，using the double acting cylinder and rotary cylinder to construct mechanical structure,the freedom degree of which was 6 with redundancy．The vacuum cup and buffer spring were used to constitute a flexible contact for the panel claw tool．Siemens S7－200 programmable logic controller was used as the controller in the automatic control system．The control program was designed using ladder diagram language on the STEP7 MicroWIN Platform，which can achieve monitor in real time，running control and safety protection by judging the limit condition．The experiment results show that the pneumatic manipulator can handle the panel from production line 1 to production line 2 and 3 to be docked with the base and the unit assembly time conforms to the technical requirement．It turns out that this pneumatic manipulator has a flexible structure and is easy for operating,meeting the requirements of the production line．

pneumatic manipulator；air condition panel assembly；programmable logic controller

TP241.2

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.011

1674-2869（2015）02-0050-04

本文編輯：苗變

2014－12－26

談宏華（1963－），男，湖北松滋人，教授，博士．研究方向：機電一體化及控制工程．