機(jī)電一體化技術(shù)在搬運機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計中的應(yīng)用

張晉

摘 要：本文設(shè)計了基于機(jī)電一體化技術(shù)的搬運機(jī)器人機(jī)械手。機(jī)械結(jié)構(gòu)原理為電磁閥控制液壓缸實現(xiàn)機(jī)械手升降運動，外部線圈控制電機(jī)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車進(jìn)退運動。動作轉(zhuǎn)換時，設(shè)置在不同部位的行程開關(guān)產(chǎn)生通斷信號并將其傳輸?shù)絇LC控制器，驅(qū)動外部線圈控制電機(jī)產(chǎn)生動作，實現(xiàn)機(jī)械手精確定位。動作包括升降、進(jìn)退等，操作方式包括手動、連續(xù)等，滿足生產(chǎn)操作要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù);搬運機(jī)器人;機(jī)械手設(shè)計

中圖分類號：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0075-03

Abstract： This paper designed a handling robot manipulator based on mechatronics technology. The mechanical structure principle is that the solenoid valve controls the hydraulic cylinder to realize the lifting movement of the manipulator， and the external coil controls the operation of the motor to realize the forward and backward movement of the trolley. When the action is changed， the travel switches set in different parts generate the on-off signal and transmit it to the PLC controller， and drive the external coil to control the motor to produce the action， so as to realize the precise positioning of the manipulator. Actions include lifting， advance and retreat， etc.， and operation modes include manual， continuous， etc.， to meet production operation requirements.

Keywords： mechatronics technology;handling robot;manipulator design

近年來，電子產(chǎn)品制造業(yè)勞動力成本不斷增加，企業(yè)職工工資水平不斷提高。目前，中國電子產(chǎn)品待加工企業(yè)利潤為8%。工人工資水平提高，加大了企業(yè)用工成本負(fù)擔(dān)。人力成本受到企業(yè)的普遍關(guān)注，隨著人力資源成本的提升，企業(yè)迫切需要利用工業(yè)機(jī)械手取代人工勞動。

人工搬運是傳統(tǒng)的搬運方式，勞動強(qiáng)度大，人力成本高。當(dāng)前，企業(yè)可以引進(jìn)機(jī)械手代替人工勞動，機(jī)械手能提高搬運效率，降低人工成本?，F(xiàn)階段，大部分國產(chǎn)機(jī)械手使用PLC控制系統(tǒng)，國外搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)性能優(yōu)越，但價格昂貴，中小型電子加工企業(yè)無法承受成本負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)的控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究

機(jī)械手是能模仿人手臂某些動作，按固定程序抓取操作工具的自動操作裝置，可實現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化，在有害環(huán)境下保護(hù)人身安全，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造等領(lǐng)域。機(jī)械手由手部、手臂和軀干等部分組成，手部抓持工件，根據(jù)物件形狀要求有多種結(jié)構(gòu)形式，運動機(jī)構(gòu)使手部完成轉(zhuǎn)動或復(fù)合動作實現(xiàn)規(guī)定動作要求[1]。

機(jī)械手自由度高，通用性強(qiáng)，按運動軌跡控制方式分為點位與連續(xù)軌跡控制。機(jī)械手通常作為機(jī)床附加裝置，有些操作裝置仍需要人工操作。1958年，美國研制出世界上首臺機(jī)械手。日本在引進(jìn)美國機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，使得機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)飛速發(fā)展。2000年，日本在工業(yè)機(jī)器人上應(yīng)用嵌入式技術(shù)，使得機(jī)器人更加智能。日本研發(fā)的Yaskawa Motoman為雙臂高性能控制系統(tǒng)機(jī)器人，機(jī)器人控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力，突破以往6個軸運動的限制，使機(jī)器人在有限空間內(nèi)完成復(fù)雜動作。

2013年，ABB公司將視覺技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械手，通過圖像傳感器采集外界環(huán)境信息，經(jīng)圖像預(yù)處理技術(shù)實現(xiàn)對工件的準(zhǔn)確檢測。高清攝像頭安裝在固定位置，實現(xiàn)對機(jī)械手的自由度控制。美國橡樹嶺國家實驗室研究了機(jī)器人相互通信，成功將多傳感器技術(shù)等復(fù)雜技術(shù)應(yīng)用在機(jī)器人上，在機(jī)器人協(xié)調(diào)方面取得顯著進(jìn)展。國外機(jī)器人控制系統(tǒng)大多基于嵌入式系統(tǒng)，能實現(xiàn)多軸控制，并將機(jī)器視覺技術(shù)融入機(jī)器人控制中，機(jī)器人間根據(jù)協(xié)議通信。我國機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)相對落后，近年來，機(jī)械手控制系統(tǒng)快速發(fā)展。將ARM+經(jīng)濟(jì)型串口屏相結(jié)合，設(shè)計機(jī)械手控制系統(tǒng)，這種方法具有價格低廉的顯著優(yōu)勢。

2 工業(yè)搬運機(jī)械手的應(yīng)用發(fā)展

生產(chǎn)機(jī)械化成為現(xiàn)代工業(yè)的主題，專用機(jī)床是量產(chǎn)自動化的有效方法，數(shù)控機(jī)床等自動化機(jī)械是解決多品種量產(chǎn)自動化的重要方法。目前，大量裝卸作業(yè)有待實現(xiàn)機(jī)械化。美國生產(chǎn)工業(yè)零件時，有75%為小量產(chǎn)，零件在機(jī)床上的加工時間占生產(chǎn)時間的5%[2]。

工業(yè)機(jī)械手為實現(xiàn)工序自動化而生。機(jī)械手動作靈活多樣，適用于變換生產(chǎn)品種的批量自動化生產(chǎn)，國內(nèi)外工業(yè)機(jī)械手主要應(yīng)用于冷熱加工、拆修裝方面。熱加工作業(yè)于高溫環(huán)境，工作量大，為提高工作效率，其可以采用機(jī)械手操作。冷加工也可以使用機(jī)械手，成為機(jī)床上下工序連接的重要手段。拆修裝是鐵路系統(tǒng)體力勞動較多的部門，目前采用機(jī)械手裝卸軸箱等減輕勞動強(qiáng)度。隨著計算機(jī)技術(shù)等在機(jī)械手中的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手成為工業(yè)生產(chǎn)中提高生產(chǎn)效率的重要手段。

機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用可以提高生產(chǎn)自動化水平，改善勞動條件，減少人力成本。應(yīng)用機(jī)械手有利于提高材料傳送、刀具更換等的自動化程度，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化，避免人處于高溫、高壓、噪聲等場合，降低人手操作危險。機(jī)械手可代替人安全完成作業(yè)，避免操作疲勞造成人身事故。其逐漸由專用機(jī)械手朝通用機(jī)械手的方向發(fā)展，智能機(jī)器人涉及多門專業(yè)知識，是綜合性強(qiáng)的新技術(shù)。目前，國內(nèi)外非常重視發(fā)展通用機(jī)械手技術(shù)，相關(guān)研究非?；钴S，品種不斷增加[3]。

國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、熱處理等方面。我國要擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展熱處理機(jī)械手，應(yīng)用專用機(jī)械手的同時發(fā)展和研制計算機(jī)控制機(jī)械手。

3 PLC在搬運機(jī)械手中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成，是自動控制、能在三維空間完成作業(yè)的機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備，適用于多品種柔性生產(chǎn)，對提高生產(chǎn)質(zhì)量、改善勞動條件起到重要作用，其綜合了計算機(jī)、人工智能等多學(xué)科技術(shù)，應(yīng)用日益廣泛[4]。

機(jī)器人應(yīng)用是一個國家工業(yè)自動化水平的標(biāo)志。機(jī)器人是綜合人的特征的擬人電子機(jī)械裝置，有機(jī)器可長時間持續(xù)工作的能力，具有人對環(huán)境狀態(tài)快速反應(yīng)的能力，是機(jī)器化的產(chǎn)物，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要自動化設(shè)備。機(jī)械手是模仿人手部動作，按給定程序要求實現(xiàn)自動抓取的自動機(jī)械裝置。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手為工業(yè)機(jī)械手，應(yīng)用機(jī)械手可提高生產(chǎn)自動化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，意義重大。機(jī)械手在機(jī)械加工、熱處理、交通運輸?shù)确矫鎽?yīng)用廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，通用機(jī)械手出現(xiàn)，可快速改變工序，其在不斷變換生產(chǎn)品種的小批量生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

可編程控制器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等發(fā)展起來的通用工業(yè)自動控制裝置，因其顯著優(yōu)點在冶金等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PLC問世前，工業(yè)控制領(lǐng)域由繼電器主導(dǎo)，傳統(tǒng)繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但控制裝置體積大，耗電多，其靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，生產(chǎn)工藝改變時接線和控制盤需要更換。PLC應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，近年來，PLC性價比不斷提高，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電力等行業(yè)。PLC控制類型主要包括邏輯控制、模擬量控制、工業(yè)機(jī)器人控制等。邏輯控制是PLC最廣泛的應(yīng)用，PLC逐漸取代繼電器控制。PLC通過模擬量I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，可與機(jī)械加工數(shù)字控制緊密結(jié)合。

PLC具有可靠性高、控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、使用方便等特點。PLC可在惡劣環(huán)境（如電磁干擾、機(jī)械振動等）條件下可靠工作，無故障間隔時間長，其采用軟件編程實現(xiàn)控制。PLC可用于開關(guān)量與模擬量控制，可用于組成多級控制系統(tǒng)，采用半導(dǎo)體集成電路，功耗低。機(jī)械手通常應(yīng)用于動作復(fù)雜的場合代替人工重復(fù)操作，普通繼電器常用于動作簡單的電氣控制，PLC具有控制性能好、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、體積小等優(yōu)點，適用于動作復(fù)雜的電氣控制。

4 搬運機(jī)器手控制系統(tǒng)設(shè)計分析

搬運機(jī)械手工作原理是X軸電機(jī)將動力傳至X軸絲杠滑臺機(jī)構(gòu)，Z軸電機(jī)將動力傳至Z軸絲杠滑臺機(jī)構(gòu)，機(jī)架繞基座旋轉(zhuǎn)，電磁鐵為執(zhí)行器，吸附電子元器件夾具。搬運機(jī)械手工作時，首先點擊觸摸屏復(fù)位按鈕，驅(qū)動模塊接收主控單元模塊復(fù)位指令，吸附工作臺注塑前的電子元器件夾具。

為防止電子元器件夾具與工作臺相撞，機(jī)械手上升至一定位置，驅(qū)動Z軸電機(jī)使機(jī)械手運動到注塑機(jī)固定位置，電磁鐵失電，機(jī)械手按原路返回，吸附工作臺電子元器件夾具。搬運機(jī)械手運用平行四邊形機(jī)構(gòu)，為方便機(jī)械手控制，人們需要求出末端位置。其間可以推導(dǎo)機(jī)械手位姿矩陣，對生產(chǎn)線搬運機(jī)械手進(jìn)行矩陣分析。通過將X、Y方向加速度合成，末端機(jī)械手加速度為徑向滑塊移動加速度的[λ]+1倍，搬運機(jī)械手加速度被線性放大。

X軸電機(jī)最大速度為150 r/min，U軸電機(jī)最大速度為10°/s，通過ADAMS分析軟件進(jìn)行選型驗證，步進(jìn)電機(jī)相數(shù)有2相和5相。人們需要根據(jù)轉(zhuǎn)矩選擇步進(jìn)電機(jī)型號，分析得到X軸轉(zhuǎn)矩圖和U軸轉(zhuǎn)矩圖。U軸所需轉(zhuǎn)矩最大約為0.75 N·m。在實際工程中，人們需要考慮一定余量。經(jīng)確定，X軸電機(jī)型號為U12442-25-0404A，V軸電機(jī)型號為U12442-25-0404A，Z軸電機(jī)型號為U12442-40-170A，U軸電機(jī)型號為U12457-76-3304A。

5 基于機(jī)電一體化技術(shù)的搬運機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計方案

搬運機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)由本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成。本體支撐手臂腕部，驅(qū)動系統(tǒng)向執(zhí)行元件提供動力。控制系統(tǒng)為自動搬運系統(tǒng)指揮中心，可存儲各種指令，向執(zhí)行元件發(fā)出指令。監(jiān)測系統(tǒng)檢測執(zhí)行系統(tǒng)所處位置。

控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息發(fā)出調(diào)整動作信號，端拾器是夾持工件的移動夾具，常見端拾器有吸附式、仿人式等。搬運機(jī)器人機(jī)械手需要通過升降、左右移動等過程完成工作，松緊等需要一定延時。搬運系統(tǒng)動作，按下啟動按鈕，傳感器到取料點取料，按示教器指定路線行走，到加工點放料，返回原點等待搬運。接收到傳感器信號后，重復(fù)動作。按暫停鍵停止運行。運行期間，若急停按鈕動作，則停止系統(tǒng)運行，另外，可按復(fù)位鍵復(fù)位。工業(yè)機(jī)器人是自動搬運系統(tǒng)的重要部分，從自由度、手部最大負(fù)重等關(guān)鍵參數(shù)考慮，選取Fanuc工業(yè)機(jī)器人搬運物料，Robot M-10iA工業(yè)機(jī)器人是多功能機(jī)器人，由本體和示教器等部分組成。

機(jī)器本體為關(guān)節(jié)式六軸結(jié)構(gòu)，具有手腕旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等獨立旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。為避免運轉(zhuǎn)過度導(dǎo)致設(shè)備損壞，設(shè)限位裝置，控制箱程序設(shè)置的軟限位小于硬限位，電動機(jī)減速。搬運機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，用工業(yè)以太網(wǎng)等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。Simatic PLC負(fù)責(zé)接收觸摸屏操作指令，傳遞工位PCL設(shè)備運行狀態(tài)信號。硬件設(shè)計選型滿足控制系統(tǒng)要求，考慮生產(chǎn)工藝變化要求，I/O點預(yù)留10%裕量，PLC選用西門子Simatic S7-200，配置包括數(shù)字量輸出模塊、電源模塊等。西門子S7-200 PLC技術(shù)可靠性高，在工業(yè)控制現(xiàn)場有大量成功應(yīng)用案例。

執(zhí)行裝置正確使用相應(yīng)物料移載方法，實現(xiàn)工件抓取，有助于保障搬運操作人員健康、作業(yè)安全和產(chǎn)品品質(zhì)。設(shè)計小巧輕便、安全可靠的現(xiàn)代執(zhí)行裝置非常重要。為高效完成物料搬運任務(wù)，本研究設(shè)計了縱橫向抓取執(zhí)行裝置，其由多個部件組成，采用雙氣缸結(jié)構(gòu)增加夾爪行程，機(jī)械手抓取動作由氣缸驅(qū)動。機(jī)械手前端夾爪互換完成不同方位抓取，先使用A型夾爪，然后手動更換B型夾爪，完成軸向夾取工件。完成搬運機(jī)器人機(jī)械手硬件設(shè)計后，對系統(tǒng)進(jìn)行檢測試運行，調(diào)試期間要確認(rèn)周圍環(huán)境安全，示教模式下，搬運機(jī)器人按預(yù)定軌跡設(shè)定程序點，調(diào)節(jié)機(jī)械手加持力，配置好工藝參數(shù)。

6 結(jié)論

當(dāng)前，機(jī)電一體化技術(shù)逐漸應(yīng)用于搬運機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計中。本研究以機(jī)電一體化技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種搬運機(jī)器人機(jī)械手。其中，電磁閥控制液壓缸實現(xiàn)機(jī)械手升降運動，外部線圈控制電機(jī)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車進(jìn)退運動。在轉(zhuǎn)換動作時，設(shè)置在不同部位的行程開關(guān)會產(chǎn)生通斷信號并將其傳輸?shù)絇LC控制器，驅(qū)動外部線圈控制電機(jī)動作，保證機(jī)械手定位精確。這種搬運機(jī)器人機(jī)械手可以執(zhí)行升降、進(jìn)退等動作，可以長時間運行，滿足生產(chǎn)操作要求。

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