機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著工業(yè)生產(chǎn)逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人開始得到普遍應(yīng)用，以機(jī)器人代替人工生產(chǎn)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減少失誤，還能有效降低工人的工作強(qiáng)度。機(jī)械手作為機(jī)器人的分支之一，在工業(yè)生產(chǎn)中可以負(fù)責(zé)搬運(yùn)、分揀等工作，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，規(guī)?；瘧?yīng)用智能機(jī)械手可以有效降低人力成本，有助于促進(jìn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。為此，主要研究了一種低成本、高效的機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置及其控制系統(tǒng)，以期推動(dòng)智能機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域中的推廣使用。

關(guān)鍵詞：智能化;機(jī)械手;控制系統(tǒng);PLC;物料搬運(yùn)

0 引言

物料搬運(yùn)作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，搬運(yùn)效率及準(zhǔn)確率會(huì)對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響。傳統(tǒng)的人工分揀、搬運(yùn)方式已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的要求，以機(jī)器人代替人工搬運(yùn)是必然的發(fā)展趨勢。采用智能機(jī)械手代替人工分揀、搬運(yùn)物料可以最大化滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求，智能機(jī)械手不僅可以適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，還能持續(xù)不間斷地進(jìn)行工作，在效率及成本方面要遠(yuǎn)優(yōu)于人工搬運(yùn)模式。

1 機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置主要功能是負(fù)責(zé)搬運(yùn)物料，因此在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上相對(duì)簡單，其主要由3個(gè)核心部分構(gòu)成，分別是機(jī)械手、控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)裝置。

驅(qū)動(dòng)裝置是機(jī)械手裝置的核心構(gòu)成之一，主要負(fù)責(zé)為機(jī)械手提供動(dòng)力源，推動(dòng)機(jī)械手完成既定的分揀、搬運(yùn)動(dòng)作。目前，使用比較廣泛的驅(qū)動(dòng)方式主要有3種，分別是液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這3種驅(qū)動(dòng)方式目前都比較成熟，可以適應(yīng)機(jī)械手智能物料搬運(yùn)裝置的驅(qū)動(dòng)要求，具體可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，包括對(duì)功率、穩(wěn)定性、控制性能的要求等[1]。

液壓驅(qū)動(dòng)的輸出功率比較大，驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，可以快速對(duì)控制指令做出反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)裝置整體體積小，不需要占用較大空間，但是在運(yùn)行過程中噪聲相對(duì)較大。此外，液壓驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)于使用環(huán)境有一定要求，因?yàn)橐簤河鸵仔孤?，因此潔凈度要求高的環(huán)境、存在易燃物品的環(huán)境不建議使用液壓驅(qū)動(dòng)裝置，具有一定的安全隱患。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，功率輸出比較大，反應(yīng)速度快，比較適合一些控制精度高、需要持續(xù)大功率輸出的工作場合，并且電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)比較緊湊穩(wěn)定，工作過程中不會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，運(yùn)行效率比較高，是目前應(yīng)用最為普遍的一種驅(qū)動(dòng)方式。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的整體結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)控制指令的反應(yīng)動(dòng)作也比較敏捷，總體上性價(jià)比比較高，但是由于氣體被壓縮之后變化比較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，裝置的緩沖能力較低，難以實(shí)現(xiàn)高精度的控制[2]。此外，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)較大，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，對(duì)于控制精度要求較高、噪聲要求較小的生產(chǎn)環(huán)境不建議采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。

2 機(jī)械手關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂是機(jī)械手的核心構(gòu)成，關(guān)系到機(jī)械手是否可以順利完成搬運(yùn)操作，筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)是平行四邊形，可以使抓手保持水平狀態(tài)。由于機(jī)械手臂是主要負(fù)載部位，因此對(duì)于剛度以及強(qiáng)度的要求較高，需要確保機(jī)械手臂在長時(shí)間的持續(xù)工作中不會(huì)出現(xiàn)斷裂、變形等問題，同時(shí)機(jī)械手臂本身的質(zhì)量不能過大，否則會(huì)影響到機(jī)械手搬運(yùn)操作的效率[3]。本設(shè)計(jì)中采用的是工業(yè)鋁型材，此類材料強(qiáng)度大密度小，機(jī)械性能良好，比較輕便，作為機(jī)械手臂的材料比較適合。

機(jī)械手在運(yùn)行過程中機(jī)械手臂關(guān)節(jié)部位的活動(dòng)最為頻繁，因此，在設(shè)計(jì)上需要具備較高的穩(wěn)定性、靈活性，可以在高強(qiáng)度的運(yùn)行中保持較長的使用壽命[4]。在設(shè)計(jì)中采用的是軸承連接，以此增加手臂結(jié)構(gòu)的靈活性，使得機(jī)械手在執(zhí)行操作指令時(shí)反應(yīng)更加靈敏，操作更加順暢，避免出現(xiàn)卡頓情況。

2.2? ? 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械抓手是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)抓取操作的主要構(gòu)件，是與物料直接接觸的部分，在對(duì)機(jī)械手下達(dá)操作指令后，機(jī)械抓手需要完成抓取動(dòng)作，并且保持穩(wěn)定，搬運(yùn)至指定位置。機(jī)械抓手與人手存在極大差別，具備部分人手功能，在設(shè)計(jì)機(jī)械抓手時(shí)需要考慮到搬運(yùn)物料的質(zhì)量、大小、被抓位置、搬運(yùn)環(huán)境等多種因素，不同的結(jié)構(gòu)形式具有不同的特點(diǎn)，目前比較常見的機(jī)械抓手是氣吸式、鉗爪式以及電磁式等。按照使用要求，本設(shè)計(jì)中采用的是鉗爪式機(jī)械抓手，其主要結(jié)構(gòu)包括傳力結(jié)構(gòu)以及手指部分。

3 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)際使用要求以及使用環(huán)境要求，決定采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，關(guān)于驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與選擇主要涉及兩方面，分別是電動(dòng)推桿與步進(jìn)電機(jī)。

3.1? ? 電動(dòng)推桿

電動(dòng)推桿是機(jī)械手主要的驅(qū)動(dòng)裝置，直接關(guān)系到機(jī)械手是否可以將物料搬運(yùn)至指定位置，如果推力不足，則機(jī)械手無法完成搬運(yùn)操作指令;如果推力過大，則會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此，在電動(dòng)推桿的選擇上要綜合考量，推桿的最大推力要略高于負(fù)載，這樣才能保證機(jī)械手完成搬運(yùn)操作。在本設(shè)計(jì)中采用的是LFHB系列推桿，最大推力600 N，工作電壓24 V，空載速度20 mm/s。

3.2? ? 步進(jìn)電機(jī)

目前，比較常用的主要是永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)以及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)3種，其中永磁式步進(jìn)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)高精度操作，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中噪聲較大，因此，在本設(shè)計(jì)中采用的是110BYG350D混合式步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)無法識(shí)別脈沖信號(hào)，難以直接被PLC控制，因此需要選擇配套的驅(qū)動(dòng)器，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在本設(shè)計(jì)中采用的是3ND2283步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)，這主要是由于PLC性能優(yōu)良，整體上性價(jià)比高，可以適用于比較復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且編程方法比較簡單，上手容易，系統(tǒng)體積較小，不會(huì)占用太大空間，而且耗能也比較低[5]。本設(shè)計(jì)采用的是三菱公司近幾年的PLC FX2N系列，此系列PLC產(chǎn)品無論是軟件還是硬件的兼容性都比較好，功能齊全，且尺寸不大，空間利用率較高。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，由PLC系統(tǒng)控制機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)，首先PLC通過驅(qū)動(dòng)器向步進(jìn)電機(jī)下達(dá)指令，開始供電，然后向電動(dòng)推桿輸送指令，推桿開始伸長，機(jī)械手臂下擺，做好抓取物料的準(zhǔn)備，最后PLC向機(jī)械抓手下達(dá)抓取指令，完成物料搬運(yùn)過程。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套智能化、自動(dòng)化的機(jī)械手搬運(yùn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的自動(dòng)化搬運(yùn)。本設(shè)計(jì)整體上結(jié)構(gòu)比較簡單，驅(qū)動(dòng)裝置選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，可以有效滿足物料搬運(yùn)的動(dòng)力要求，以PLC作為控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，考慮到實(shí)際使用過程中的多種因素，機(jī)械手臂及機(jī)械抓手的設(shè)計(jì)選擇工業(yè)鋁型材作為主要材料，各方面性能優(yōu)良，符合使用要求。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-01-07

作者簡介：李江濤（1998—），男，河南駐馬店人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。