淺析自動(dòng)化機(jī)械手的柔性化生產(chǎn)

周如光

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州213025）

1 自動(dòng)化機(jī)械手的現(xiàn)狀分析

隨著社會(huì)老齡化的提前到來，勞動(dòng)力越來越緊缺。然而，要實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，就迫切需要提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，所以提高我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平已經(jīng)是必然的趨勢(shì)。機(jī)械手作為最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，有效地代替了部分體力勞動(dòng)環(huán)節(jié)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且它可以在惡劣或有害的環(huán)境中工作，以此來保證操作人員的人身安全。機(jī)械手現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用于3C電子、汽車及相關(guān)、精密制造、醫(yī)療器械、電氣、化工、新能源、食品、廚衛(wèi)等領(lǐng)域。

機(jī)械手按照使用范圍可分成三類：第一類是專用的機(jī)械手，這類機(jī)械手專業(yè)性較強(qiáng)，配合在某條生產(chǎn)線或者某臺(tái)機(jī)器設(shè)備上用來完成輔助性工作，一般來說它們的工作程序都是固定的，因而稱為專用機(jī)械手；第二類是需要進(jìn)行人工操作的機(jī)械手，也稱為操作機(jī)，這種機(jī)械手起源于軍事工業(yè)，目前，常用于鍛造、焊接、沖壓等工序；第三類是不需要人工操作的機(jī)械手，這類機(jī)械手可以獨(dú)立按照控制程序進(jìn)行自動(dòng)重復(fù)的操作，并可以根據(jù)需要編制其他程序，以此來完成各項(xiàng)規(guī)定的成套動(dòng)作[1]。第三類機(jī)械手的適應(yīng)性最強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的運(yùn)用。本研究涉及的自動(dòng)化機(jī)械手就是這種類型。

這類機(jī)械手大多包含以下四大系統(tǒng)部件：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和位置檢測(cè)系統(tǒng)[2]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手主體，它由多個(gè)連桿和關(guān)節(jié)組成，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的動(dòng)作；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般是由氣源組件、氣缸和電磁閥等各種氣路元件組成，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)及手部的動(dòng)作；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將信息指令傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行跟蹤和反饋；位置檢測(cè)系統(tǒng)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置信息傳遞給控制系統(tǒng)，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)能以一定的精度運(yùn)動(dòng)到指定位置。這樣，檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)的配合已經(jīng)使機(jī)械手形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制，使它具備了多功能、多用途和可調(diào)整的特性，下面筆者將通過一個(gè)具體的流程設(shè)計(jì)來判斷此類機(jī)械手的通用性是否勝任柔性生產(chǎn)。

2 機(jī)械手通用生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手的工作流程

以上下物料為例，筆者研究的是三大機(jī)械手種類中通用性最好的可編程自動(dòng)化機(jī)械手，由PLC程序控制，完成在自動(dòng)模式下進(jìn)行固定動(dòng)作套路的循環(huán)工作，并且在自動(dòng)控制以外還可以切換為手動(dòng)控制來進(jìn)行單步操作運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)模式主要應(yīng)用于平常的工作狀態(tài)，手動(dòng)模式用于工作時(shí)間以外的檢修狀態(tài)。程序編程要求如下：

1）自動(dòng)模式。按下啟動(dòng)按鈕，程序啟動(dòng)，機(jī)械手恢復(fù)到待機(jī)狀態(tài)，即軀干整體右擺，懸臂縮回，手臂上升，手部松開，滿足此四點(diǎn)稱為待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)工作臺(tái)上的傳感器檢測(cè)到物件時(shí)，機(jī)械手將懸臂伸出；伸展到位以后，手臂下降；手臂下降到既定高度后，手部夾緊；計(jì)時(shí)1.5 s以后，手臂上升；上升到既定高度后，軀干整體左轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)到位，手臂下降；下降到既定高度后，手部松開，再計(jì)時(shí)1.5 s以后，機(jī)械手進(jìn)行恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)動(dòng)作，恢復(fù)完畢后繼續(xù)檢測(cè)工作臺(tái)是否有物件存在狀態(tài)。以此往復(fù)，循環(huán)工作。

2）手動(dòng)模式。每按一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手就根據(jù)PLC程序單獨(dú)執(zhí)行下一步動(dòng)作，如此往復(fù)。此模式為單步操作，用于檢修空載狀態(tài)下的系統(tǒng)。在手動(dòng)單步操作中途拍下急停按鈕再松開，機(jī)械手工作周期重新開始。

2.2 生產(chǎn)線的電氣系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電氣系統(tǒng)的硬件部分由可編程控制器、機(jī)械手、氣壓缸、按鈕與急停開關(guān)以及光電開關(guān)組成[3]。其中，可編程控制器通過儲(chǔ)存所編寫的程序，運(yùn)用邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算等各類指令，來控制各種機(jī)械的生產(chǎn)過程。機(jī)械手根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)多維度的運(yùn)動(dòng)和生產(chǎn)所需的動(dòng)作，其控制要素包括工作順序、運(yùn)動(dòng)速度、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間等。機(jī)械手動(dòng)作的動(dòng)力來源于氣壓缸的工作，它是系統(tǒng)中的直接執(zhí)行元件之一，它的原理是將氣壓能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)所需的機(jī)械能。急停按鈕屬于機(jī)械按鈕的一種，當(dāng)發(fā)生緊急情況的時(shí)候人們可以通過快速按下此按鈕來達(dá)到保護(hù)人身安全和設(shè)備安全的措施。光電開關(guān)是生產(chǎn)或安防等場(chǎng)合使用頻率較高的感應(yīng)式開關(guān)，它通過檢測(cè)器對(duì)光束的反射或遮擋來判斷物體是否存在。光電開關(guān)的種類也非常多，例如銀行、商店及倉(cāng)庫等場(chǎng)合會(huì)使用紅外線光電開關(guān)，連續(xù)式高速包裝機(jī)中會(huì)使用槽式光電開關(guān)，間歇式生產(chǎn)流水線會(huì)使用漫反射型光電開關(guān)，電磁振動(dòng)供料器上會(huì)使用光纖式光電開關(guān)等等。在本設(shè)計(jì)中，它將成為主要的感受器官，對(duì)可編程控制器提供輸入信號(hào)[4]。

2.3 可編程控制器的輸入輸出點(diǎn)設(shè)置

表1 輸入輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)表

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根據(jù)系統(tǒng)功能所需，對(duì)PLC的I/O信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行了定義，輸入輸出點(diǎn)如表1所示。

2.4 機(jī)械手自動(dòng)模式工作流程圖

本設(shè)計(jì)主要探究機(jī)械手在自動(dòng)模式的工作流程，如圖1所示。可編程控制器編寫程序?qū)⒕o緊圍繞此圖所展示的流程進(jìn)行。

圖1 機(jī)械手自動(dòng)模式工作流程

2.5 主要控制程序設(shè)計(jì)

在選擇自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，常開觸點(diǎn)X020被激活，系統(tǒng)中所有的M40常開觸點(diǎn)閉合，因此，系統(tǒng)將在自動(dòng)模式下運(yùn)行。與此同時(shí)，由于常閉觸點(diǎn)X020在自動(dòng)狀態(tài)回路中斷開，所以在進(jìn)行自動(dòng)模式運(yùn)行的過程中，手動(dòng)模式將無法使用。唯有通過急停按鈕中斷自動(dòng)模式的運(yùn)行才可選擇手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，機(jī)械手同時(shí)開始持續(xù)執(zhí)行整體右擺（Y012）、懸臂縮回（Y014）、手臂上升（Y010）和手爪松開（Y007）動(dòng)作，在滿足該四個(gè)動(dòng)作全部到位的條件之后才可以進(jìn)行下一步程序。該機(jī)械手自動(dòng)模式部分程序如圖2所示。

圖2 機(jī)械手自動(dòng)模式部分程序

在待機(jī)狀態(tài)滿足條件時(shí)，當(dāng)工作臺(tái)上的光電開關(guān)（X003）檢測(cè)到有物件時(shí)，程序激活，導(dǎo)通M29輔助觸點(diǎn)線圈。此輔助觸點(diǎn)的用處是激活M30線圈，讓系統(tǒng)處于“開始動(dòng)作”狀態(tài)。開始動(dòng)作狀態(tài)滿足后導(dǎo)通Y004線圈，機(jī)械手懸臂伸出，因下方Y(jié)004常開觸點(diǎn)的導(dǎo)通而自鎖，保持伸出狀態(tài)。并且上方常閉觸點(diǎn)Y004動(dòng)作，機(jī)械手停止縮回動(dòng)作。伸出到位后，對(duì)應(yīng)常開觸點(diǎn)X004閉合，并導(dǎo)通Y005線圈，因Y005常閉觸點(diǎn)阻斷Y010的上升信號(hào)而讓機(jī)械手手臂下降。

下降到位后激活Y006線圈手爪開始夾緊并進(jìn)入自鎖狀態(tài)；同時(shí)時(shí)間繼電器T0也開始計(jì)時(shí)。1.5 s計(jì)時(shí)結(jié)束后T0常開觸點(diǎn)動(dòng)作，導(dǎo)通M10輔助線圈。此輔助線圈的作用是斷開上方的手臂下降Y005信號(hào)。

上升動(dòng)作到位后X010常開觸點(diǎn)閉合，激活輔助線圈M21，在這里的作用是導(dǎo)通下方的Y011線圈，使得機(jī)械手開始左擺。左擺到位后X011常開觸點(diǎn)閉合，導(dǎo)通了M1輔助觸點(diǎn)的線圈并自鎖。

下降到位后X005再次閉合，由于M1自鎖狀態(tài)將M7輔助觸點(diǎn)的路徑激活，因此M7導(dǎo)通，阻斷了Y006夾緊信號(hào)的自鎖狀態(tài)，因而手爪放松；同時(shí)，Y006的斷開讓時(shí)間繼電器T1線圈線路上的Y006常閉觸點(diǎn)復(fù)位，T1開始計(jì)時(shí)。1.5 s過后，對(duì)應(yīng)所有的T1觸點(diǎn)動(dòng)作，T1和Y007都進(jìn)入自鎖狀態(tài)。

T1常開觸點(diǎn)繞過前方的T0常閉觸點(diǎn)，直接導(dǎo)通M10線圈，M10線圈再阻斷了Y005的信號(hào)，機(jī)械手上升。上升到位后，由于T1線圈的自鎖，M21輔助線圈的道路被阻斷，信號(hào)只能通過下方打開的T1觸點(diǎn)進(jìn)入M20輔助線圈，激活M14輔助線圈的自鎖狀態(tài)。

T1狀態(tài)滿足的情況下，再次導(dǎo)通X014常開觸點(diǎn)，就會(huì)激活輔助線圈M12。這個(gè)M12的用處有兩個(gè)，第一個(gè)作用主要是斷開Y011自鎖信號(hào)，讓機(jī)械手可以按程序斷開左擺狀態(tài)，進(jìn)入右擺復(fù)位狀態(tài)；第二個(gè)作用是切斷該時(shí)刻不該動(dòng)作的一切M輔助信號(hào)和Y動(dòng)作信號(hào)。

當(dāng)機(jī)械手右擺到位后，X012常開觸點(diǎn)閉合，導(dǎo)通輔助觸點(diǎn)M31。M31在這里的作用是阻斷機(jī)械手的“開始動(dòng)作”狀態(tài)命令，讓機(jī)械手必須重新進(jìn)入待機(jī)檢測(cè)狀態(tài)，等檢測(cè)到工作臺(tái)上有下一個(gè)物件時(shí)才可以繼續(xù)動(dòng)作。以上便是機(jī)械手的整套自動(dòng)工作方式。

3 自動(dòng)化機(jī)械手的生產(chǎn)應(yīng)用

以上機(jī)械手的主要功能是負(fù)責(zé)將工作臺(tái)上的物件搬運(yùn)到指定的另一個(gè)傳送帶工作區(qū)中，并且進(jìn)行此狀態(tài)下的循環(huán)工作。主要用于工作流水線與另一條工作流水線直接的完美銜接。

自動(dòng)模式下的機(jī)械手為正常工作狀態(tài)，處于此狀態(tài)中的機(jī)械手將不間斷地執(zhí)行固定搬運(yùn)動(dòng)作，并且可以通過停止按鈕的功能，更換被搬運(yùn)物件的種類。手動(dòng)模式下的機(jī)械手為檢修工作狀態(tài)。

不論在哪個(gè)工作模式下，當(dāng)員工拍下急停按鈕時(shí)，機(jī)械手的工作將立刻停止，由此來減少機(jī)械手的誤動(dòng)現(xiàn)象，也就是在突發(fā)情況時(shí)可以將二次損失的概率降至最低。隨后，等突發(fā)情況解除，操作人員松開急停后，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)至最初始工作狀態(tài)，從而更利于迅速恢復(fù)生產(chǎn)節(jié)奏。并且松開后自動(dòng)復(fù)位的功能也減少了人為干預(yù)復(fù)位的環(huán)節(jié)，這樣就可以將人員的誤操作發(fā)生率降到最低程度。

一方面，當(dāng)生產(chǎn)流水線的某一段出現(xiàn)故障，導(dǎo)致影響生產(chǎn)，甚至是即將造成危險(xiǎn)事故的時(shí)候，拍下急停按鈕就可以將損失減小到最低。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎每臺(tái)設(shè)備上都會(huì)帶有急停功能。

另一方面，現(xiàn)實(shí)生活中的企業(yè)在生產(chǎn)中非常講究生產(chǎn)效率，當(dāng)故障被排除后，就需要快速恢復(fù)工作狀態(tài)。這個(gè)急停松開后恢復(fù)初始位置的設(shè)計(jì)，有利于迅速恢復(fù)生產(chǎn)節(jié)奏。此功能也減少了人為手動(dòng)復(fù)位的環(huán)節(jié)，這樣就可以將人員的誤操作發(fā)生率降到最低程度。

4 結(jié)語

綜上可知，這套系統(tǒng)由可編程控制器執(zhí)行、控制和反饋，自動(dòng)化程度高。由多種光電開關(guān)進(jìn)行接收信號(hào)，傳遞信號(hào)，生產(chǎn)過程智能可控制，電路和氣路簡(jiǎn)潔可調(diào)整，適應(yīng)多種生產(chǎn)設(shè)備和制造系統(tǒng)。機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的控制和操作，模擬人體器官，而又在工作強(qiáng)度、工作環(huán)境等方面超越人體器官，能夠適用于電子元件裝配、無人智能吧臺(tái)、流水線上下料、電器碼垛、機(jī)床上下物料等多個(gè)行業(yè)。該套系統(tǒng)從根本上提高了生產(chǎn)效率，體現(xiàn)了柔性生產(chǎn)的特點(diǎn)。