石板材自動(dòng)上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)與研究

王 錚，王志輝

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

近年來我國(guó)石材制品的需求量逐年上升，尤其作為建筑用的飾面石板材需求量占比最大。這對(duì)于石材制品的加工質(zhì)量與效率提出了更高的要求[1-2]，但目前國(guó)內(nèi)石板材的上下料及運(yùn)送設(shè)備還處于自動(dòng)化程度較低的水平，甚至一些石板材加工企業(yè)仍采用人工搬運(yùn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

筆者設(shè)計(jì)的石板材自動(dòng)上下系統(tǒng)通過PLC控制，可根據(jù)導(dǎo)軌長(zhǎng)度調(diào)整移動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)板材的抓取。其抓取部分考慮到石板材作為飾面石材具有一定脆性，不適用于剛度較大的夾持裝置，因此采用真空吸附式機(jī)械手實(shí)現(xiàn)石板材的抓取。抓取機(jī)構(gòu)完成板材抓取后，運(yùn)送機(jī)構(gòu)將板材輸送至連續(xù)磨機(jī)進(jìn)行板面研磨拋光。機(jī)械手三維裝配圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手裝配圖

1 抓取結(jié)構(gòu)

機(jī)械手抓取結(jié)構(gòu)主要由真空吸盤、真空發(fā)生器、吸盤架組成。真空發(fā)生器放置于吸盤架橫梁內(nèi)，通過尼龍管與吸盤進(jìn)/排氣口連接。真空吸盤組呈矩陣式對(duì)稱排布，保證對(duì)板材形成均衡的吸附力。當(dāng)真空發(fā)生器供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流。由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)氣體，使該腔形成很低的真空度，在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體[3-5]。真空發(fā)生器原理如圖2所示。

圖2 真空發(fā)生器原理

1.1 真空吸盤選型計(jì)算

本設(shè)計(jì)中石板材尺寸為2 m×3 m，厚度為15～40 mm，板材的密度為ρ=2 790～3 070 kg/m3，取單塊板最大質(zhì)量M=736.8 kg，垂直起吊。

(1)計(jì)算吸盤直徑。吸盤直徑如式(1)所示。

(1)

式中：D為吸盤直徑；S為安全系數(shù)，水平起吊時(shí)S=4，垂直起吊時(shí)S=8；P為真空壓力；n為吸盤個(gè)數(shù)。由實(shí)際加工需求確定的吸盤選型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 吸盤選型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)式(1)計(jì)算得D=208.134 mm，D表示的是吸盤結(jié)構(gòu)的外徑，當(dāng)利用真空壓力吸附物體時(shí)，會(huì)使橡膠吸盤變形，吸附面積減小[6]。雖然安全系數(shù)中包含了變形部分，但在設(shè)計(jì)時(shí)需留出余量，因此吸盤直徑取整為D=210 mm，則吸盤因真空壓力變形后對(duì)板材的有效吸附面積A=34 636 mm2。

(2)計(jì)算理論吸附力。單個(gè)真空吸盤的吸附力與板材面的摩擦力即為吸附物體的吸附力。

F=0.1μ·A·P

(2)

式中：F為吸附力；μ為摩擦因數(shù)，μ=0.45；A為吸盤有效吸附面積；P為真空壓力。

吸盤個(gè)數(shù)24，故總吸附力為24.315 kN。

總吸附力大于板材重力，設(shè)計(jì)合理。真空發(fā)生器選取XFK-04直排系列真空發(fā)生器。在三維空間中機(jī)械手達(dá)到指定位置實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的抓取，要求構(gòu)件的形狀、尺寸、重量滿足合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。吸盤架由2根長(zhǎng)空心梁及3根短空心梁組成。24個(gè)吸盤分為4組安裝在4個(gè)結(jié)構(gòu)鋼板上。機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)

1.2 真空基本控制回路

真空基本控制回路由空壓機(jī)、電磁閥、真空發(fā)生器、節(jié)流閥、壓力繼電器、過濾器及真空吸盤組成，如圖4所示?？諌簷C(jī)壓縮空氣，電磁閥2通電且電磁閥3斷電時(shí)，壓縮的空氣進(jìn)入真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，當(dāng)真空壓力達(dá)到65 kPa時(shí)壓力繼電器通電，吸盤工作抓取板材。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)指定工位時(shí)，繼電器1斷電且繼電器2通電，此時(shí)真空發(fā)生器停止壓縮空氣導(dǎo)致吸盤與板材之間的真空被破壞，板材與吸盤脫離。

圖4 真空基本控制回路

2 運(yùn)送機(jī)構(gòu)及液壓缸動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.1 運(yùn)送架設(shè)計(jì)

機(jī)械手的運(yùn)送機(jī)構(gòu)由輸送輥、驅(qū)動(dòng)組件和輸送架組成。輸送架的結(jié)構(gòu)尺寸依據(jù)板材尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)3 100 mm×寬3 100 mm，輸送架翻轉(zhuǎn)角度范圍為0～120°，輸送輥與驅(qū)動(dòng)組件安裝于機(jī)架上。6根輸送輥等距安裝于輸送架，直徑d=85 mm。由于輸送輥主要是轉(zhuǎn)動(dòng)輸送板材，徑向壓力主要是來自板材重量，因此選用7909角接觸球軸承，基本額定載荷為16 000 N。輸送輥轉(zhuǎn)速范圍0～0.1 m/s。輸送架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 輸送架結(jié)構(gòu)示意圖

運(yùn)送架作為承載板材運(yùn)送及翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等作用的機(jī)構(gòu)，承受較多的壓力和轉(zhuǎn)矩，因此通過有限元對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析，確保機(jī)械手工作過程中的剛度與強(qiáng)度。首先對(duì)運(yùn)送架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格大小為5 mm。通過ANSYS計(jì)算，得到輸送架的位移云圖及壓力分析圖，如圖6所示。

圖6 輸送架位移云圖及壓力分析圖

運(yùn)送架在工作時(shí)，通過安裝在行走機(jī)構(gòu)上的液壓缸推動(dòng)運(yùn)送架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，力集中在在輸送架橫梁與液壓缸鉸鏈連接處，以及運(yùn)送架底端與小車鉸接處。搬運(yùn)板材的重力G=9 800 N，液壓缸桿推力方向與XZ平面夾角16°，可知液壓缸輸出的推拉力約為F=73 500 N，轉(zhuǎn)化為Z軸與Y軸方向的力大小為Fy=20 259 N,Fz=-70 653 N，最大應(yīng)力主要分布在運(yùn)送架與行走機(jī)構(gòu)鉸支連接處，為323 MPa，運(yùn)送架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力為375 MPa，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。由位移云圖可知，運(yùn)送架形變主要在頂端橫梁，受推力和扭矩引起，其最大形變量為0.01 m，對(duì)整個(gè)運(yùn)送架結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，因此設(shè)計(jì)符合要求。

2.2 液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)

這里采用液壓缸作為動(dòng)力執(zhí)行元件，提供吸盤架升降、伸縮及輸送架的翻轉(zhuǎn)。輸送架翻轉(zhuǎn)通過安裝在底座平車橫梁上的液壓缸提供動(dòng)力，由安裝在輸送架與底座平車連接轉(zhuǎn)動(dòng)部分角度傳感器調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)角度大小，如圖7所示。

圖7 液壓缸-角度傳感器翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

選擇液壓缸作為執(zhí)行元件可免去減速裝置，且無傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。液壓缸輸出力也較大，廣泛應(yīng)用于重型機(jī)械的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同壓力等級(jí)下各缸徑/桿徑對(duì)應(yīng)理論推(拉)力表，取壓力等級(jí)為16 MPa，缸徑D=80 mm，活塞桿徑d=55 mm的HSGL系列單桿活塞式液壓缸。液壓缸推力80 kN，拉力為42 kN。液壓缸與輸送架、底座橫梁鉸支安裝，行程為500 mm。液壓缸桿伸縮時(shí)由角度傳感器將輸送架轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)傳遞給PLC控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)控制液壓缸進(jìn)出油流量實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿的伸縮長(zhǎng)度控制。吸盤架升降及伸縮液壓缸，與輸送架翻轉(zhuǎn)液壓缸受同一液壓站控制。液壓站選用一拖四YZA2-19-15，制動(dòng)器ST40SH為3個(gè)液壓缸供壓。吸盤架升降液壓缸與伸縮液壓缸選取壓力等級(jí)16 MPa的HSGL系列，其缸徑D=40 mm，活塞桿徑d=20 mm。

3 吸盤架伸縮連桿機(jī)構(gòu)

吸盤架平面與機(jī)械手輸送架平面在空間上是平行關(guān)系，伸縮缸不便安裝于吸盤架與輸送架之間。工程機(jī)械中常用到連桿機(jī)構(gòu)來獲得規(guī)律運(yùn)動(dòng)，筆者在已知吸盤架尺寸參數(shù)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的情況下，從運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的角度上選取連桿機(jī)構(gòu)來傳遞動(dòng)力。吸盤架伸(縮)時(shí)平面圖如圖8所示。

圖8 吸盤架伸(縮)時(shí)平面圖

已知吸盤架在Y方向伸縮，吸盤架相對(duì)于XZ面做平面運(yùn)動(dòng)，伸縮行程為175 mm，因此采用雙搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)此運(yùn)動(dòng)規(guī)律。雙搖桿機(jī)構(gòu)中兩根連架桿都是搖桿，且兩搖桿長(zhǎng)度相等并最短，形成等腰梯形機(jī)構(gòu)。雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖9所示，在圖9中主動(dòng)桿為與伸縮液壓缸連接的桿1，吸盤架伸出XZ平面75 mm時(shí)，液壓缸活塞桿伸出，將桿1推至B1點(diǎn)，桿1與XZ面呈125°；吸盤架縮回XZ面100 mm時(shí)，液壓缸活塞桿收縮，將桿1拉至B2點(diǎn)，桿1與XZ面呈110°。

圖9 雙搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

吸盤架中的桿2長(zhǎng)2 250 mm，連架桿1與桿3長(zhǎng)250 mm，上下兩根連架桿設(shè)計(jì)成L型，一端與桿2連接，另一端與吸盤架上的桿4、桿5連接，如圖10所示。吸盤架上下桿4與桿5有I型連接頭，I型連接頭長(zhǎng)為200 mm，I型連接頭結(jié)構(gòu)是避免吸盤架升降缸在提升板材時(shí)Z方向的長(zhǎng)度不足。因此連架桿總長(zhǎng)度為450 mm，它是連架桿1長(zhǎng)度與I型連接頭長(zhǎng)度之和。實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度由伸縮液壓缸活塞桿伸縮長(zhǎng)度決定，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍110°～120°。

圖10 連桿機(jī)構(gòu)

4 機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)的作用是將機(jī)械手移動(dòng)到指定位置進(jìn)行板材的抓取并返程，最大速度為1m/s，機(jī)械手總重量約為7 200 kg。目前常用的低速重載行走機(jī)構(gòu)主要是機(jī)械傳動(dòng)式，其中傳動(dòng)鏈應(yīng)用最廣[7]。由安裝在底座平車的直流調(diào)速電機(jī)通過鏈輪減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手移動(dòng)。

已知底座平車負(fù)載F=70 560 N。速度v=1 m/s，功率P=70.56 kW。采用ZCF-22直流大功率電機(jī)，功率100 kW。導(dǎo)軌輪直徑D=80 mm，轉(zhuǎn)速為n=238 r/min。選取鏈節(jié)數(shù)92，中心距為1 615 mm的40A-1型鏈輪，鏈條節(jié)距為p=50.8 mm。傳動(dòng)鏈大鏈輪與前排支撐型滾輪軸連接，小鏈輪與電機(jī)裝配于底座平車橫梁，行走機(jī)構(gòu)如圖11所示。

圖11 機(jī)械手行走機(jī)構(gòu)

5 機(jī)械手工作流程及控制方案

機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用PLC能夠減少大量的硬件接線、時(shí)間繼電器、中間繼電器等，提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，還能提高控制系統(tǒng)的可靠性[8-9]。PLC采用西門子S7-300系列，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制主要有5種，其生產(chǎn)線布置如圖12所示。

圖12 機(jī)械手生產(chǎn)線布置

(1)生產(chǎn)線Y軸方向的行走控制。機(jī)械手由板材輸送工位A0，移動(dòng)至板材抓取工位A1，完成抓取后由A1工位返回至A0工位進(jìn)行板材的輸送。

(2)Y軸方向的吸盤架伸縮控制。機(jī)械手移動(dòng)到A1時(shí)，吸盤架伸縮液壓缸工作將吸盤架伸出XZ平面準(zhǔn)備吸取板材。當(dāng)機(jī)械手回到輸送工位時(shí)，真空吸盤將板材放開，同時(shí)伸縮液壓缸將吸盤架收縮等待下一次抓取。

(3)Z軸方向的吸盤架升降控制。當(dāng)真空吸盤完成板材的吸取時(shí)，吸盤架升降液壓缸工作，將板材提起脫離待加工架。

(4)輸送架YZ平面的翻轉(zhuǎn)控制。機(jī)械手將板材由A0移動(dòng)至A1時(shí)，翻轉(zhuǎn)液壓缸將輸送架推至設(shè)定的抓取角度，完成板材抓取回程時(shí)，液壓缸將輸送架拉回XY平面等待輸送。

(5)生產(chǎn)線X軸方向的輸送控制。當(dāng)機(jī)械手回到A0時(shí)，輸送伺服電機(jī)工作驅(qū)動(dòng)輸送輥，把板材輸送至連續(xù)磨機(jī)。機(jī)械手控制流程如圖13所示。

圖13 機(jī)械手控制流程圖

6 結(jié)論

石板材自動(dòng)上下系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了真空吸附技術(shù)，集合了石板材的抓取與運(yùn)送，通過角度傳感器與活塞桿液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度可根據(jù)板材豎直放置角度調(diào)整，最大翻轉(zhuǎn)角度為120°。行走機(jī)構(gòu)電機(jī)與運(yùn)送電機(jī)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)整工作速度?；钊簤焊鬃鳛閳?zhí)行機(jī)構(gòu)保證了工作的穩(wěn)定性且輸出力很大，可搬運(yùn)重量較大的板材，避免人工搬運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的情況。筆者設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)自動(dòng)化程度高，可以有效提高石板材加工生產(chǎn)線的效率。