醫(yī)療取藥三自由度機械手結(jié)構(gòu)及電氣控制設計

陳劍宏，趙洪照，項啟生，鮑銀宗，肖國華

（1.寧波市凱福萊特種汽車有限公司，浙江寧波 315600；2.浙江工商職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，浙江寧波 315600）

0 引言

醫(yī)藥生產(chǎn)中，藥瓶的物流輸送是醫(yī)藥包裝自動化生產(chǎn)流水線中一項主要內(nèi)容。藥瓶在流水線上需要做檢查、測試、轉(zhuǎn)移等多項動作，因而，采用多自由度的機械手臂來實現(xiàn)藥瓶在包裝流水線上的物流轉(zhuǎn)移是此類流水線生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。機械手氣爪的樣子是多種多樣的［1-4］，有下列分類：①夾鉗式取料手；②吸附式取料手；③操作器及轉(zhuǎn)換器；④仿生多指靈巧手。轉(zhuǎn)運機械手的基本要求為［5-9］：①能夠準確無誤地搬運棒料，同時兼具效率與安全；②機械手能夠快速反應，運行安全，擁有足夠的自由度，精準到位的動作。為此，本文介紹一種三自由度機械手的機械結(jié)構(gòu)及電控控制設計，以供設計參考。

圖1 模具結(jié)構(gòu)布局

1 工作對象及工作要求

如圖1a所示，藥瓶為圓柱形藥瓶，其外徑?35 mm，高度65 mm。其在藥品包裝流水線上做檢驗工序時，需要L1線轉(zhuǎn)移到L2，L1線的流動方向為F7，L2線的流水方向為F8，L1線和L2線的流水帶有一定的高度差。藥瓶在L1線的末端需要通過轉(zhuǎn)移路徑轉(zhuǎn)移到L2線的起始位置。所需機械手臂的旋轉(zhuǎn)中心在L1線和L2線之間為非對稱安裝。

如圖1b所示，所需要的對象機械手臂需要實現(xiàn)的動作功能為：手抓M1能做F1-F2向的抓緊、F3-F4向的松開動作，且抓緊或者松開后能做T1-T2轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)動作，手抓M1能由手臂M2帶動做F5，F(xiàn)6地來回收縮運動。M1，M2在升降臺M3上能跟隨M3做F7，F(xiàn)8向的上下動作，及T3-T4正反向的旋轉(zhuǎn)動作。

2 機械手機械結(jié)構(gòu)設計

依據(jù)圖1b所示的機械手臂功能要求，該機械手臂的機械結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。手臂的結(jié)構(gòu)組成包括以下幾個子組件：手指組件、手臂伸縮組件、手臂提升組件、手臂旋轉(zhuǎn)組件、基座。手指組件用于抓取藥瓶動作，手臂伸縮組件用于手臂的取物距離調(diào)整，手臂提升組件用于手指抓取后的上下提升，手臂旋轉(zhuǎn)組件用于將手指及伸縮臂做旋轉(zhuǎn)運動，基座為整個手臂的支撐。

手指機構(gòu)中，手抓M1為卡鉗式手抓，其構(gòu)成件包括件1～件10，兩個卡爪由銷釘活動固定在手抓板上后，由手指活塞氣缸4進行驅(qū)動；手指活塞氣缸4安裝于一塊板上后由伸縮手臂氣缸22進行驅(qū)動，第一氣缸6的進出氣口為G1，G2。

手臂伸縮機構(gòu)中，手指伸縮臂機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成件包括件11～件23，第二氣缸通過氣缸支座22安裝于支撐板23上，由G3，G4氣口進出氣驅(qū)動芯桿11左右移動。支撐板23通過兩個導向套25活動安裝于導向桿24上，可以上下滑動移動，支撐板23上另裝有絲杠套28，該絲杠套28與絲杠36匹配，由該絲杠36驅(qū)動其上下移動。

手臂提升機構(gòu)中，其組件包括件24～件36、件48、件49，兩根導向桿24的上端安裝上支撐板26，下端通過導向桿49鎖緊安裝于支撐蓋37上。上支撐板26上安裝上端蓋27，上端蓋27用于安裝絲杠36的驅(qū)動電機32，驅(qū)動電機32的電機軸通過聯(lián)軸器組件與絲杠36的上端連接。手指組件、手指伸縮組件通過安裝于支撐板23上得以實現(xiàn)由絲杠36來進行整體驅(qū)動。

手臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由于手指機構(gòu)的移位轉(zhuǎn)動，機構(gòu)組成件包括件37～件47，其驅(qū)動電機43安裝于底座40的底面上，通過連接銷44來驅(qū)動連接端蓋46進行轉(zhuǎn)動，驅(qū)動連接端蓋46上通過螺釘緊固安裝支撐蓋37，支撐蓋37用于導向桿24及絲杠套28的豎直方向上的安裝，驅(qū)動連接端蓋46的下端安裝平面軸承42，用于端蓋46的豎直軸向旋轉(zhuǎn)支撐，支撐蓋37下端內(nèi)壁上安裝承力滾柱軸承38，該軸承下端由下承力端蓋39和上承力端蓋41進行卡位，而在底座40上使支撐蓋37獲得軸向和周向的受力支撐。

基座40采用階梯式截面形狀圓盤支撐結(jié)構(gòu)，一則用于保護電機43不受損，二則減少整個手臂結(jié)構(gòu)的總重量?？紤]到手臂的工作環(huán)境潔凈性，及工作所需機械較小等問題，整個手臂的動作驅(qū)動由氣動元件和電機驅(qū)動來實施驅(qū)動［10-12］。

圖2 手臂結(jié)構(gòu)設計

3 氣動控制設計

手臂中，手指組件、手臂伸縮組件的驅(qū)動主要由氣動來進行驅(qū)動控制。圖2中的第二氣缸的G3，G4的進氣源由1個三維四通電磁換向閥57進行調(diào)節(jié)控制，通用第一氣缸的G1，G2也采用同樣的三維四通電磁換向閥57進行調(diào)節(jié)控制。

氣源50由室內(nèi)流水線空壓機提供，高壓氣體經(jīng)儲氣罐52存儲后，經(jīng)分水過濾器53、減壓閥54、比例調(diào)節(jié)后分兩路供氣，一路用于手臂伸縮缸的控制，一路用于手指夾緊缸的控制，為防止手臂伸縮缸動作的突然性，手臂伸縮缸的G3氣口加裝一個可調(diào)單向節(jié)流閥58。

圖3 手臂機構(gòu)氣動控制回路

4 手臂電氣控制設計

4.1 機械工作原理

機械手的工作流程為：首先需要按下啟動按鈕，然后選擇自動擋或者手動擋，機械手隨后開始工作。圖4為機械手工作流程。當選擇自動擋時：①從原點開始立柱向左旋轉(zhuǎn)90°，到達左限位開關時停止；→②立柱垂直向下運動，到達下限位開關停止；→③手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；→④氣爪抓緊工件；→⑤手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；→⑥立柱垂直向上運動，到達上限位開關停止；→⑦立柱向右旋轉(zhuǎn)180°，達到右限位開關停止；→⑧手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；→⑨氣爪松開工件；→⑩手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；→○11 11立柱左旋轉(zhuǎn)90°回到原點，原點燈亮起；→○12按下停止按鈕，機械手停止工作，按下啟動按鈕，機械手運動先歸零，再開始運動；→○13如果選擇手動擋可以繼續(xù)按下任何按鈕進行操作，直到運動到限位開關為止。

4.2 電氣控制

在對機械手控制系統(tǒng)設計時，選擇了PLC來進行控制，PLC的控制設計如下。

（1）I/O口分配信號送給可編程控制器，然后分配對應的輸入端口；一些信號由可編程控制器輸送到被控制的對象，分配對應的輸出端口。另外，計數(shù)器以及定時器也要相對應地分配可編程序控制器，通過編號來識別信號。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，決定選擇三菱的FX2N系列FX2N-48MR，如表1所示。

圖4 機械手工作原理

表1 輸入口分配

表2 輸出口分配

（2）控制接線FX2N-48MRPLC這種控制系統(tǒng)具有很高的靈活性的同時也非常穩(wěn)定。在設計控制系統(tǒng)時，為了讓設備適應更多的工作環(huán)境，對于機械手的控制，可以進行手動調(diào)整，即可以進行手動操作，也可以自動運行工作。并且在實際操作時，如遇到不同的情況，只要重新編寫一個PLC系統(tǒng)就可以滿足其他類系的工作情況。PLC控制接線如圖5所示。

（3）控制程序。針對手臂的動作執(zhí)行，所編寫的控制梯形圖程序如圖6所示。

圖5 PLC控制接線

5 結(jié)語

結(jié)合藥瓶包裝流水線生產(chǎn)工位功能的需要，設計一種三自由工位轉(zhuǎn)運機械手臂，機械手臂的機械結(jié)構(gòu)組成主要包括手指組件、手臂伸縮組件、手臂提升組件、手臂旋轉(zhuǎn)組件、基座。手臂的抓取和伸縮功能采用氣動控制，氣動控制采用2個三維四通電磁換向閥來對2個動作氣缸進行驅(qū)動控制。手臂的升降和旋轉(zhuǎn)采用步進電機機型驅(qū)動和控制。結(jié)合手臂的動作需要，采用FX2N-48MR PLC控制器來進行電氣控制。本機械手臂的優(yōu)點在于：可以通過對機械手爪做稍微改變，就可以輕易實現(xiàn)對更多的工件進行操作，適用于更多的工作環(huán)境，也就提高了它的性價比，能夠給企業(yè)帶來更多的利益。

圖6 程序控制