雙爪機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

周 鵬

(漢江師范學(xué)院汽車(chē)與電子工程系，湖北 十堰 442700)

自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)是制造業(yè)大批量生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是減少制造成本、提高生產(chǎn)效率的手段。機(jī)械手能夠在危險(xiǎn)性大、環(huán)境惡劣的場(chǎng)所取代人手完成重復(fù)性高的分揀、搬運(yùn)、裝卸等工作，已經(jīng)成為機(jī)械零件制造及裝配生產(chǎn)線(xiàn)上必備的單元[1-4]。采用機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)械手，具有定位精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是工作對(duì)象發(fā)生變化或者工藝調(diào)整后，機(jī)械式機(jī)械手就要重新設(shè)計(jì)；采用液壓傳動(dòng)的機(jī)械手，具有輸出力大、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是技術(shù)要求高，維護(hù)復(fù)雜，一般用于重量較大的鍛壓件或鑄造件的搬運(yùn)；電氣傳動(dòng)機(jī)械手具有定位精度高、相應(yīng)速度快的特點(diǎn)[5]，但技術(shù)要求和成本都較高[6]；氣動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，具有成本低、流動(dòng)阻力小、動(dòng)作迅速、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但氣體的壓縮比較大，氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度較低。雙爪機(jī)械手結(jié)合電氣傳動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在沖壓生產(chǎn)線(xiàn)上，可有效提高上料精度和生產(chǎn)效率。

1 雙爪機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

在沖壓生產(chǎn)線(xiàn)上，機(jī)械手要把板料送到?jīng)_壓工作臺(tái)上，完成沖壓工序后，再把沖壓件搬運(yùn)到下一個(gè)工位或輸送帶上。板料沖壓機(jī)床的沖壓周期短，運(yùn)行速度快，機(jī)械手需要快速完成上料和下料的工作。為了提高生產(chǎn)效率、減少?zèng)_床等待的時(shí)間，設(shè)計(jì)了雙手爪的上下料機(jī)械手，工作原理如圖1所示。

雙爪機(jī)械手的手臂上帶有兩個(gè)手爪(上料手爪和下料手爪)，隨手臂一起運(yùn)動(dòng)。沖壓完成后，手臂水平左移，到達(dá)取料點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)手爪均伸出后手臂下降，上料手爪上的真空吸盤(pán)吸緊薄板料，下料手爪的真空吸盤(pán)吸緊沖壓件，手臂上升后兩個(gè)手爪都縮回，手臂水平右移，到達(dá)放料點(diǎn)后，兩個(gè)手爪都伸出，手臂下降，上料手爪把薄板料放置沖床工作臺(tái)上，下料手爪把沖壓件放在輸送帶上，輸送帶啟動(dòng)，把沖壓件送到下一工位，同時(shí)手臂上升，兩個(gè)手爪都縮回后，手臂水平左移到工作原點(diǎn)，沖床啟動(dòng)，開(kāi)始沖壓工作。

從系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程可知：上料手爪需要把板料準(zhǔn)確放在沖床工作臺(tái)上，位置精度要求非常準(zhǔn)確。除了手爪上真空吸盤(pán)的取、放料動(dòng)作，手爪在工作中還有3個(gè)自由度，分別是手臂的水平移動(dòng)和升降、手爪的伸縮。手臂的水平移動(dòng)需要有3個(gè)固定的位置點(diǎn)：工作原點(diǎn)(上料手爪和下料手爪分別位于沖床兩側(cè))，取料點(diǎn)(上料手爪取薄板坯料，下料手爪取沖床工作臺(tái)上的沖壓件)，放料點(diǎn)(上料手爪把薄板坯料放在工作臺(tái)上，下料手爪把沖壓件放在輸送帶上)；手爪的伸縮和手臂的升降都是兩個(gè)固定的位置點(diǎn)。

2 雙爪機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

手爪的伸縮和手臂的升降都是在運(yùn)行方向上有兩個(gè)固定點(diǎn)的直線(xiàn)移動(dòng)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)，活塞桿完全伸出或縮回的位置是固定的，并且缸體兩端裝有接近開(kāi)關(guān)，能保證動(dòng)作位置的精確度。

手臂的水平移動(dòng)有3個(gè)位置點(diǎn)，并且準(zhǔn)確度要求較高，機(jī)械傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)均不能實(shí)現(xiàn)，所以采用能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置要求的電氣傳動(dòng)方式，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精確度高(步距角為0.9°或1.8°)，通過(guò)同步帶(齒形帶)把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂水平位移的準(zhǔn)確性。

手爪運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置后，對(duì)薄板坯料(或沖壓件)的抓取和投放，均由氣動(dòng)真空吸盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，真空吸盤(pán)固定在爪盤(pán)上，爪盤(pán)上均勻分布寬為13 mm的槽，根據(jù)薄板坯料的形狀，可以調(diào)整吸盤(pán)的位置和數(shù)量。吸盤(pán)手爪的三維模型如圖2所示。

3 雙爪機(jī)械手控制設(shè)計(jì)

3.1 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)

雙爪機(jī)械手手爪的伸縮(上料手爪和下料手爪)、手臂的升降等動(dòng)作由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣缸的兩端都內(nèi)置有磁環(huán)，配合氣缸體外安裝的磁性開(kāi)關(guān)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)氣缸活塞的位置。氣動(dòng)工作原理如圖3所示。由于氣體的壓縮比大，氣缸在工作中只有完全伸出和縮回兩個(gè)位置才是固定的，所以采用二位四通的電磁閥控制氣缸的動(dòng)作。真空發(fā)生器是利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓的一種器件，由電磁開(kāi)關(guān)閥控制產(chǎn)生真空(負(fù)壓)。

3.2 電氣控制設(shè)計(jì)

電氣控制以西門(mén)子S7-200 PLC為核心，完成對(duì)雙爪機(jī)械手的控制，接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、按鈕等信號(hào)直接送給PLC，人機(jī)界面是人和機(jī)器的信息交換窗口，可以把機(jī)械手的工作狀態(tài)顯示出來(lái)，例如所搬運(yùn)的沖壓件數(shù)量，操作人員還可以根據(jù)需要改變機(jī)械手的運(yùn)行參數(shù)。上料后機(jī)械手回到工作原點(diǎn)位置，沖床才能開(kāi)始沖壓；沖壓工藝完成后，機(jī)械手才能夠開(kāi)始取件和上料的工作。上下料機(jī)械手的控制系統(tǒng)作為沖床控制系統(tǒng)的從站，通過(guò)PPI電纜通信，避免干擾和碰撞。PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。

氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁閥采用AC 220 V供電，而西門(mén)子PLC數(shù)字輸出端口電壓為DC 24 V，功率只有0.75 W，不足以驅(qū)動(dòng)AC220 V的電磁閥，需要通過(guò)中間繼電器和直流接觸器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，如圖5所示。PLC的高速脈沖端口和數(shù)字端口控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。輸送帶的運(yùn)行由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，PLC的數(shù)字輸出端口控制變頻器的輸出頻率改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

雙爪機(jī)械手系統(tǒng)有12個(gè)數(shù)字量輸入端口，10個(gè)數(shù)字量輸出端口和1個(gè)高速脈沖量輸出端口，控制器選用西門(mén)子S7-200系列(CPU226)PLC作為控制核心，端口分配如表1。

雙爪機(jī)械手的動(dòng)作是由3個(gè)氣缸、2個(gè)真空吸盤(pán)和1臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成，程序設(shè)計(jì)是根據(jù)雙爪機(jī)械手動(dòng)作的時(shí)序圖來(lái)完成，用梯形圖編制控制程序，方便、直觀(guān)，還可以在線(xiàn)監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)。西門(mén)子PLC中的運(yùn)動(dòng)控制功能，能控制高速脈沖的輸出數(shù)量和頻率，完成位移和速度的調(diào)節(jié)[7]。

4 機(jī)械手的調(diào)試

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的完整性，在設(shè)計(jì)好外圍電路和程序后，需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。外圍電路調(diào)試屬于硬件調(diào)試，主要是線(xiàn)路的搭接，保證傳感器檢測(cè)的數(shù)字量信號(hào)都能送給PLC控制器，PLC輸出數(shù)字量信號(hào)后，機(jī)械手上的氣缸和信號(hào)燈等元件能完成相應(yīng)的動(dòng)作。程序調(diào)試屬于軟件調(diào)試，主要是正確實(shí)現(xiàn)程序功能。雙爪機(jī)械手PLC程序的調(diào)試采用在線(xiàn)編程調(diào)試，V4.0 STEP7 Micro WIN SP3軟件中的程序監(jiān)控功能能夠方便地檢測(cè)到程序的運(yùn)行狀態(tài)[8]。

表1 PLC輸入輸出端口分配

輸入輸出功能名稱(chēng)端口功能名稱(chēng)端口復(fù)位I0.0步進(jìn)電機(jī)脈沖Q0.0啟動(dòng)I0.1步進(jìn)電機(jī)方向Q0.1緊急停止I0.2手臂上升Q0.2手臂原點(diǎn)I0.3上料手臂伸出Q0.3手臂左限位I0.4下料手臂伸出Q0.4手臂右限位I0.5上料吸盤(pán)Q0.5上料手爪伸出I0.6下料吸盤(pán)Q0.6上料手爪縮回I0.7紅色信號(hào)燈Q0.7下料手爪伸出I1.0綠色信號(hào)燈Q1.0下料手爪縮回I1.1黃色信號(hào)燈Q1.1手臂上升I1.2蜂鳴器Q1.2手臂下降I1.3

與傳統(tǒng)單手爪搬運(yùn)機(jī)械手相比，雙爪機(jī)械手的運(yùn)行效率更高，完成5件沖壓件的上下料工作后，單手爪搬運(yùn)機(jī)械手只能完成3件沖壓件的上下料，在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用之后能有效提高工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

雙爪機(jī)械手是集機(jī)械、電氣控制、PLC、氣壓傳動(dòng)為一體的機(jī)電一體化設(shè)備。采用運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，能準(zhǔn)確完成機(jī)械手手臂在沖床給定位置上的運(yùn)動(dòng)。人機(jī)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)和搬運(yùn)的數(shù)量，并且根據(jù)需求設(shè)定搬運(yùn)沖壓件的數(shù)量及其他運(yùn)行參數(shù)。雙爪機(jī)械手搬運(yùn)速度快，并能隨時(shí)改變吸盤(pán)在爪盤(pán)上的位置，完成不同形狀沖壓件的搬運(yùn)工作，在沖壓生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用之后能提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。