新型鋼管打捆機械手末端鋼帶夾緊機構(gòu)的研究與設(shè)計

馬魯豪，張玉華，梅克明，鄭燕武

(1. 天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2. 天津理工大學(xué) 機電工程國家級實驗教學(xué)示范中心， 天津 300384)

0 前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鋼管的產(chǎn)量與日俱增[1]。2016年我國鋼管產(chǎn)量首次突破了1億噸。新型鋼管打捆機械手是采用廢鋼帶(由殘次鋼管回收制成)對鋼管進行打捆包裝的設(shè)備，不僅“廢物再利用、節(jié)能且環(huán)保”，降低鋼管的生產(chǎn)成本，也可與傳統(tǒng)鋼管打捆機(僅可采用標準鋼帶)相互補充，完成鋼管生產(chǎn)的最后一道工序。末端鋼帶夾緊機構(gòu)是新型鋼管打捆機械手最為核心的部件，因此對其的研究與設(shè)計十分必要。

1 新型鋼管打捆機械手的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，為新型鋼管打捆機械手整體結(jié)構(gòu)簡圖，其實質(zhì)為三自由度平面對稱機械臂結(jié)構(gòu)[2]。實線部分為初位置工作狀態(tài)，虛線部分為末位置工作狀態(tài)；L1、L2、L3分別為基桿、中間桿、末端執(zhí)行桿(由鋼帶夾緊機構(gòu)和氣缸組成)，其中基桿與地面、基桿與中間桿、中間桿與末端執(zhí)行桿分別通過轉(zhuǎn)動副連接，并由伺服電機控制；E1、E2分別為初、末位置狀態(tài)下機械手對廢鋼帶兩端的抓取點。

圖1 新型鋼帶打捆機械手結(jié)構(gòu)簡圖

2 末端鋼帶夾緊機構(gòu)的設(shè)計

2.1 鋼帶夾緊機構(gòu)的實現(xiàn)

在新型鋼帶打捆機械手整體工作過程中，末端鋼帶夾緊機構(gòu)均起到十分重要的作用，而機構(gòu)對廢帶的“抓取”則是其工作過程中較為關(guān)鍵的技術(shù)。通過實踐得出，對鋼帶夾緊而產(chǎn)生的摩擦力即可保證對鋼帶的仿形捆扎及拉緊對接等功能的實現(xiàn)。如圖2所示，為夾緊機構(gòu)的工作原理圖。

圖2 鋼帶夾緊機構(gòu)的工作原理圖

圖中，F(xiàn)N、Ff分別為夾緊裝置對鋼帶產(chǎn)生的總壓緊力、總摩擦力(即總驅(qū)動力)，N、f分別為單側(cè)夾緊裝置對鋼帶產(chǎn)生的壓緊力、摩擦力，且滿足

(1)

通過實際驗證，當(dāng)Ff約為20 000 N時便可保證對鋼帶的仿形捆扎及其拉緊對接等功能的實現(xiàn)，此時單側(cè)夾緊裝置對鋼帶產(chǎn)生的壓緊力N約為13 500 N(取摩擦系數(shù)u=0.5、安全系數(shù)k=1.5)，即1 350 kg所產(chǎn)生的力。

2.2 鋼帶夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼帶夾緊機構(gòu)需要對鋼帶進行夾緊，使機械手對鋼帶獲取較大的“抓取力”，并配合后續(xù)各桿件角位移的完成；當(dāng)實現(xiàn)對鋼管的捆扎、廢帶的拉緊對接及其焊接過程后，夾緊機構(gòu)松開鋼帶進而復(fù)位，整個對鋼管的打捆包裝過程完成。通過對機械手打捆過程的分析，夾緊機構(gòu)需要完成三個動作——夾緊、捆扎和復(fù)位，因此可初步設(shè)計出其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾緊機構(gòu)示意圖

夾緊機構(gòu)為左右對稱結(jié)構(gòu)，選擇氣壓傳動方式[3]。當(dāng)氣缸驅(qū)動時，其推動連接件1向下運動，推力由鉸鏈I(J)傳遞到連桿4(5)；在與副桿2(3)的作用下，經(jīng)由鉸鏈G(H)又傳遞到了中間連桿6(7)上；再經(jīng)過鉸鏈E(F)，推力進入夾緊鉗8(9)，隨后夾緊鉗8(9)繞著固定鉸鏈C(D)進行回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)連接件1下移到一定位置時，夾緊鉗8(9)上的鉗面A(B)與鋼帶接觸并將其托起，隨后夾緊鉗8(9)與壓塊12共同作用，完成對鋼帶的夾緊動作。

3 末端夾緊機構(gòu)的力學(xué)研究

如圖4所示，為夾緊機構(gòu)在壓緊狀態(tài)下的機構(gòu)簡圖，其中α、β、γ、θ∈(0～90°)。

圖4 壓緊狀態(tài)下夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

夾緊鉗與鋼帶接觸之前，鉗面不受力的作用，即為“張開狀態(tài)”；在夾緊鉗與鋼帶接觸完成對鋼帶的夾緊、抓取過程中，鉗面也受到來自鋼帶和壓塊的擠壓力，即為“壓緊狀態(tài)”。因此，對夾緊機構(gòu)的力學(xué)分析也是對其在壓緊狀態(tài)下的受力分析。

3.1 夾緊機構(gòu)的力學(xué)分析

對鉸鏈的力學(xué)研究，可有效掌握力在機構(gòu)中的傳遞特性[4]。夾緊機構(gòu)中，較為重要的鉸鏈分別是E(F)、G(H)和I(J)。由于機構(gòu)左右對稱，兩端受力情況相同，可只分析一側(cè)(以左側(cè)為例)。

(1)連接件1及其鉸鏈I(J)的受力分析，如圖5所示。

圖5 鉸鏈I(J)的受力示意圖

圖中，F(xiàn)P為氣缸施加給連接件1的推力，F(xiàn)GI和FHJ分別是鉸鏈I、J對連件1的作用力，則三者之間存在以下關(guān)系。

(2)

由式(2)得，

(3)

(2)鉸鏈G的局部受力分析，如圖6所示。

圖6 鉸鏈G的受力示意圖

圖6中，F(xiàn)IG、FEG和FKG為連桿4、中間連桿6和副桿2對鉸鏈G的作用力。其中，F(xiàn)IG與FGI大小相等，方向相反，且通過對力的分解，則有

(4)

由(4)式得

(5)

(3)中間連桿6與夾緊鉗8通過鉸鏈E連接起來，而夾緊鉗實質(zhì)上是一個杠桿結(jié)構(gòu)，因此對鉸鏈E的研究無需分析夾緊鉗對鉸鏈E的作用力，只需研究中間連桿6通過鉸鏈E對夾緊鉗8的作用力，即FGE，如圖7所示。

圖7 鉸鏈E的受力示意圖

(6)

3.2 夾緊機構(gòu)增力比的計算

夾緊機構(gòu)需要最終完成對鋼帶的抓取，需要較大的“抓取力”(既對鋼帶的夾緊力而形成的靜摩擦力)，故夾緊機構(gòu)的設(shè)計實際上就是增力機構(gòu)的設(shè)計。由于夾緊機構(gòu)固定于打捆裝置的桿件3上，對其大小有嚴格的要求，故本結(jié)構(gòu)摒棄在動力源(氣缸)與夾緊機構(gòu)之間加入增力機構(gòu)較大尺寸的設(shè)計方案，而是將夾緊機構(gòu)直接設(shè)計為增力裝置，這樣有效地減少了機構(gòu)尺寸和空間。

為了獲得較大的增力比，本結(jié)構(gòu)采用三次增力的方式，即單臂鉸桿(連桿4、5)-雙臂鉸桿(副連桿6、7和副桿2、3)-杠桿(夾緊鉗8、9)串聯(lián)組合。以機構(gòu)左側(cè)為例，通過連桿4，驅(qū)動力由FP增大至FGI，再經(jīng)過中間連桿6和副桿2又增大到FEG，最后通過夾緊鉗8輸出最終的夾緊力FA。對夾緊鉗8的受力分析，如圖8所示。由圖可得

(7)

由式(3)、(5)、(6)、(7)可得

(8)

圖8 夾緊鉗8的受力示意圖

根據(jù)連桿3的尺寸、鋼帶寬度(30～40 mm)及厚度(2～4 mm)，可以初步設(shè)定出l1=45 mm、l2=10 mm。當(dāng)夾緊鉗對鋼帶進行夾緊時，此時測得α=15°、β=40°、γ=41°、θ=58°。帶入式(8)得，增力比為

i=KFA/FP=16.6(安全系數(shù)K=2)。

4 夾緊機構(gòu)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)的工作流程

本文以鋼帶打捆機械手右側(cè)機構(gòu)為例，夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)的工作流程如圖9所示。

圖9 夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)工作流程圖

(1)夾緊機構(gòu)在原始位置(放松狀態(tài))，按下啟動按鈕，氣缸連桿從上限位置開始下降。

(2)氣缸連桿下降，使得夾緊鉗運動至壓塊上的下限行程開關(guān)(可控制夾緊的程度)位置，當(dāng)滿足夾緊條件后，下限行程開關(guān)，氣缸連桿下降動作結(jié)束，完成對鋼帶的夾緊。

(3)伴隨著鋼帶打捆機械手的打捆過程，夾緊機構(gòu)開始左旋。左旋至左限行程開關(guān)位置，壓動行程開關(guān)后，左旋動作結(jié)束(此時鋼帶打捆機械手也完成打捆過程)，氣缸連桿開始上升。

(4)氣缸連桿上升到上限行程開關(guān)位置，開啟行程開關(guān)后，上升動作結(jié)束，松開鋼帶。

(5)鋼帶打捆機械手經(jīng)歷復(fù)位過程，此時夾緊機構(gòu)開始右旋。右旋至右限行程開關(guān)位置，行程開關(guān)開啟，右旋結(jié)束，夾緊機構(gòu)完成復(fù)位。

4.2 夾緊機構(gòu)控制電路設(shè)計

夾緊機構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)的控制要求：(1)利用兩個按鈕來控制機構(gòu)的啟動和停止[5]；(2)利用兩個電動機分別控制夾緊機構(gòu)的夾緊、放松和左旋、右旋；(3)具備自動和手動控制模式[6]；(4)按下停止按鈕，夾緊機構(gòu)要完成一個周期運動回到初始位置才停止；(5)用4個極限位置開關(guān)控制夾緊機構(gòu)的4個極限位置。

通過對夾緊機構(gòu)工作流程及控制要求的分析，可設(shè)計控制系統(tǒng)電路如圖10所示，I/O地址編排表如表1所示。該系統(tǒng)中共有I/O端口15個(輸入11個，輸出4個)，PLC可選用西門子S7-200PLC，CPU模塊為CPU224[7]。

圖10 夾緊機構(gòu)控制系統(tǒng)電路圖

器件代號地址編號功能說明輸入SB1I0.0啟動按鈕SB2I0.1停止按鈕SQ1I0.2右限位置開關(guān)SQ2I0.3下限位置開關(guān)SQ3I0.4左限位置開關(guān)SQ4I0.5上限位置開關(guān)SQ5I0.6手動/自動切換SB3I1.0手動下降(夾緊)SB4I1.1手動左旋SB5I1.2手動上升(松放)SB6I1.3手動右旋輸出KM1線圈Q0.0控制下降(夾緊)KM2線圈Q0.1控制左旋KM3線圈Q0.2控制上升(松放)KM4線圈Q0.3控制右旋

4.3 夾緊機構(gòu)控制電路設(shè)計

夾緊機構(gòu)的PLC控制程序如圖11所示，該控制方式分為自動和手動兩種控制模式。

圖11 夾緊機構(gòu)PLC控制程序

自動控制模式過程為：首先，將手動/自動切換開關(guān)SQ5閉合，此時常開觸點I0.6斷開，手動控制程序段被切斷，控制系統(tǒng)進入自動模式。然后，按下啟動按鈕SB1，當(dāng)右限位置開關(guān)SQ1閉合時，常開觸點I0.2閉合，程序段S0.1開啟，而常開觸點I0.2復(fù)位，并且線圈Q0.0得電使得電機M1轉(zhuǎn)動，帶動氣缸連桿下降，下降至下限位置時，下限位置開關(guān)SQ2閉合，夾緊功能完成[8]；同時，常開觸點I0.3閉合，系統(tǒng)進入程序段S0.2，程序段S0.1與常開觸點I0.3復(fù)位，并且線圈Q0.1得電使得M2轉(zhuǎn)動，帶動夾緊機構(gòu)左旋，左旋至左限位置，左限位置開關(guān)SQ3閉合，左旋過程結(jié)束；此時，常開觸點I0.4閉合時，程序段S0.3運行，而程序段S0.2與常開觸點I0.4復(fù)位，且線圈Q0.2得電使得電機M1轉(zhuǎn)動，帶動氣缸連桿上升，夾緊機構(gòu)開始對鋼帶進行松放，上升至上限位置，上限位置開關(guān)SQ4閉合，松放功能完成；同時，常開觸點I0.5閉合時，系統(tǒng)進入程序段S0.4，程序段S0.3與常開觸點I0.5復(fù)位，并且線圈Q0.3得電使得夾緊機構(gòu)右旋，右旋至右限位置，右限位置開關(guān)SQ1閉合，右旋運動結(jié)束；此時，常開觸點I0.2閉合，系統(tǒng)進入下一周期的鋼帶夾緊、松放運動。最后，按下停止按鈕SB2，夾緊機構(gòu)在完成一個周期運動后停止。手動控制過程為：將手動/自動切換開關(guān)SQ5斷開，I0.6常開觸點閉合，自動控制程序被切斷，控制系統(tǒng)進入手動模式。在手動控制模式下可以實現(xiàn)鋼帶的點動夾緊與松放，可滿足特殊工況下的工作要求。

5 結(jié)論

通過模擬測驗，設(shè)計出的末端鋼帶夾緊機構(gòu)可良好的完成對鋼帶的夾緊與松放功能。力學(xué)放大效果較好，可選用驅(qū)動力為1 000 N(即100 kg所產(chǎn)生的力)的氣缸，通過力學(xué)放大，最終單側(cè)夾緊鉗對鋼帶的壓緊力N為16 300 N，夾緊裝置對鋼帶的總摩擦力(總驅(qū)動力)Ff為24 450 N；PLC控制系統(tǒng)設(shè)計簡單，可靠性能高，并同時具備自動和手動兩種控制模式，自動控制模式精準度高，手動控制模式可以實現(xiàn)點動夾緊與松放，可滿足特殊工況下的要求。

[1] 殷國茂.我國鋼管工業(yè)的現(xiàn)狀和今后發(fā)展的思考[J].鋼管,2011，40(01):1-7.

[2] John J. Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control[M]. Third Edition. NJ: Prentice Hall, 2004.

[3] 劉錫軍.鋼管倒棱機夾緊機構(gòu)系列的優(yōu)化設(shè)計[D].天津:天津理工大學(xué),2016.

[4] 沈鑫剛.全自動鋼管打捆機的研究與開發(fā)[D].浙江:浙江大學(xué),2005.

[5] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6] 郁漢琪，郭健.可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7] 龔?fù)?，張樹臣，王?實例解讀西門子PLC[M].北京：中國電力出版社，2013.

[8] 郭麗.基于PLC的物料輸送系統(tǒng)設(shè)計[J].輕工科技，2015(06):82-85.