張兆豐
(西交利物浦大學(xué),江蘇 蘇州 215123)
近年來,工業(yè)、制造業(yè)勞動成本直線上升,勞動成本的增加,導(dǎo)致電子加工企業(yè)的盈利水平大大下降,勞動力成本的增加給企業(yè)發(fā)展帶來極大壓力,使得企業(yè)急需用工業(yè)機(jī)械手取代人工來降低人工成本。傳統(tǒng)的人工搬運方式即消耗人力,也不能提高生產(chǎn)效率,但機(jī)械手不同,機(jī)械手的使用可以大大降低企業(yè)成本,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,因此機(jī)械手在加工企業(yè)中是普遍使用的,現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)的機(jī)械手都是用PLC 控制的,而國外的裝卸機(jī)械手大都有一體化的控制系統(tǒng),其性能較高,但是引用費用較高,使得中小型加工企業(yè)對其望而卻步,而加快國內(nèi)搬運機(jī)器人機(jī)械手臂的研究與開發(fā)就成為現(xiàn)階段最為重要的問題。
裝卸機(jī)械手的工作原理是x 軸發(fā)動機(jī)將動力傳遞給x 軸,Z軸發(fā)動機(jī)將動力傳遞給Z 軸??蚣車@底座旋轉(zhuǎn),電磁鐵是記錄電子元件的執(zhí)行器。機(jī)械手工作時,首先點擊觸摸屏上的復(fù)位按鈕,驅(qū)動模塊接收主控模塊的復(fù)位指令,并在工作臺注塑前吸附電子元件夾具。
為防止機(jī)械臂在工作過程中的電子元器件與工作臺產(chǎn)生摩擦,當(dāng)將機(jī)械手上升到工作臺的一定位置之后,再驅(qū)動Z 軸使機(jī)械手到達(dá)指定位置——注塑機(jī),然后斷開電磁鐵的電力,機(jī)械手返回原味,將電子元器件夾具吸附起來[3]。
搬運機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)由本體、作動器、監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成,主體支持腕臂,驅(qū)動系統(tǒng)向執(zhí)行器供電。該系統(tǒng)是自動化裝卸系統(tǒng)的指揮中心,可存儲各種指令,并將指令發(fā)送到引導(dǎo)設(shè)備。監(jiān)視系統(tǒng)確定執(zhí)行系統(tǒng)的位置。
控制器根據(jù)反饋信號設(shè)置力矩信號。最終任務(wù)是移動附件夾持工件。常用終末作業(yè)有吸附式、仿人式等。如傳送系統(tǒng)移動,按啟動按鈕,傳感器在取料點取料,按照老師指示的路徑,將材料放在加工點,返回原點,等待提升。運行期間,啟動應(yīng)急停車按鈕后,系統(tǒng)的運行停止。另外,可以用復(fù)位鍵來恢復(fù)。本文介紹了自動裝卸機(jī)器人的基本原理。以FANUC 工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ),綜合考慮機(jī)器人自由度、最大手載等關(guān)鍵參數(shù)。M-10iA工業(yè)機(jī)器人是由本體和教學(xué)設(shè)備構(gòu)成的多功能機(jī)器人。
機(jī)器人在設(shè)計中將其本體關(guān)節(jié)設(shè)置為六軸結(jié)構(gòu),其手臂、手腕能夠?qū)崿F(xiàn)自由的扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等功能。另外,為了提高機(jī)械手的應(yīng)用壽命,降低設(shè)備損壞幾率,還特別設(shè)置了限位裝置,當(dāng)控制箱的軟限位小于硬限位時,電動機(jī)就會自動減速。在機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計中,其主控制器為PLC 系統(tǒng),在數(shù)據(jù)通信方面,用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行實現(xiàn)。在工位運行信號的傳遞上,用Simatic PLC 作為媒介,接收操作指令。然后在控制系統(tǒng)硬件設(shè)計合理的基礎(chǔ)上,為了滿足不同工藝生產(chǎn)需求,I/O 點預(yù)留10%裕量,PLC 類型選為西門子具有可靠性能、控制靈活的Simatic S7-200。在執(zhí)行方面,為了實現(xiàn)工件的成功抓取,為搬運機(jī)器人操作人員提供安全保障,滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求,在設(shè)計時,要以物料移載方法為基礎(chǔ),對現(xiàn)代化執(zhí)行裝置進(jìn)行設(shè)計,并向小巧、安全、可靠、輕便等方向繼續(xù)鉆研,以此來滿足物料搬運需求,提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。本研究設(shè)計了一種由多個部件組成的垂直和水平夾持器,以提高材料的搬運效率。雙缸結(jié)構(gòu)增加了起重機(jī)輪轂,氣缸驅(qū)動機(jī)械手的抓地力。通過更換操縱器的前爪,使工件沿著不同的方向固定。先用A 爪,再手工更換B 爪,完成工件軸向夾緊。在完成手榴彈機(jī)械手硬件搭建之后,對系統(tǒng)進(jìn)行了測試與啟動。環(huán)境安全必須在調(diào)試過程中進(jìn)行驗證。手持式機(jī)器人根據(jù)指定的軌跡設(shè)定程序點,在指令模式下調(diào)節(jié)機(jī)械手的握力,并配置工藝參數(shù)。
2.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(圖1)
圖1 自動搬運系統(tǒng)組成示意圖
用于支持手、腕部和手臂的工業(yè)機(jī)器人本體,其傳動裝置和其它設(shè)備也與機(jī)器本體相連。傳動系統(tǒng)位于機(jī)體內(nèi)部。傳動系統(tǒng)的作用是給執(zhí)行器供電。傳動系統(tǒng)按能量可分為液壓、氣動、電氣、機(jī)械四大類。該控制系統(tǒng)是自動處理系統(tǒng)的指揮中心,控制系統(tǒng)通過對榴彈進(jìn)行控制,還能存儲各種指令(例如:動作順序、運動軌跡、移動速度和速度等),并向各執(zhí)行單元發(fā)送指令。末端撿拾器是保持工件移動的附件。端頭拾取包括吸附型、夾持型和仿人型。
2.1.2 工作流程
搬運機(jī)器人機(jī)械手要完成一項工作過程,必須經(jīng)過向上、下落、左移、右移、抓握、放松、轉(zhuǎn)動等過程。這些過程中,夾緊、放松和旋轉(zhuǎn)的過程都需要延遲一段時間。自動化裝卸系統(tǒng)的操作流程如下:
(1)按下起動按鈕,當(dāng)傳感器收到信號后,去取料點取材料。
(2)取料完成后,按示教器指示路線行走。
(3)行走至加工點,放料。
(4)重新開始作業(yè)。
(5)等待下一次處理請求。
(6)接收傳感器信號后重復(fù)上述動作。
(7)在搬運時,如果需要暫停運行,那么就可以按下暫停按鈕,機(jī)械手就可以暫停工作,如果按啟動按鈕,機(jī)械手就會恢復(fù)原來的工作狀態(tài)。
(8)運轉(zhuǎn)時急停按鈕一啟動,系統(tǒng)立即停止。
急停按鈕恢復(fù)后,按復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位,機(jī)器人返回到原點后,系統(tǒng)才能重新啟動。
其工作流程如圖2 所示。
圖2 自動搬運工作流程
機(jī)械臂是整個自動化處理系統(tǒng)的重要組成部分。FANUC 工業(yè)機(jī)器人M-10iA 將考慮其結(jié)構(gòu)形式、自由度數(shù)量、管理要求等關(guān)鍵參數(shù),F(xiàn)ANUC 工業(yè)機(jī)器人M-10iA 是一種內(nèi)置電纜多功能機(jī)器人,由外殼、B 控制柜、教學(xué)設(shè)備、搬運軟件等組成。
Fanue M-10iA 機(jī)械體為關(guān)節(jié)式六軸結(jié)構(gòu),有六個獨立的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié):旋轉(zhuǎn)、提升、伸長、旋轉(zhuǎn)手腕、腕弓和手腕扭轉(zhuǎn),最大負(fù)荷為10kg。
M-10iA 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 Fanuc M-10iA 機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)
圖3 控制系統(tǒng)的硬件組成
SIMATIC PLC 是用來從觸摸屏上接收操作指令,并傳送每臺SPS 工作站上運行的設(shè)備。用觸摸屏輸入操作指令,顯示過程狀態(tài),存儲程序值和報警。對硬件的選擇,不僅要滿足當(dāng)前控制系統(tǒng)的要求,而且要考慮將來對可靠性的要求,基于此,在零部件的選擇中,選用西門子晶智系列的觸摸屏,能夠支持多種通訊方式,如以太網(wǎng)、MPI、PROFIBUS 等,能穩(wěn)定可靠地與市場主流PLC 通訊。適合工業(yè)現(xiàn)場培訓(xùn),多參數(shù)設(shè)置,實時顯示。
控制臺是捕捉工件并滿足相關(guān)處理和裝配要求的一種裝置。合理利用相關(guān)的材料轉(zhuǎn)移方法和手段,能夠有效地處理和轉(zhuǎn)移危險化學(xué)品,使現(xiàn)場作業(yè)人員健康安全,操作合理,節(jié)約勞動力,提高生產(chǎn)效率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。所以,設(shè)計一款小型化、便攜、功能齊全、安全可靠的執(zhí)行工具顯得尤為重要。為了準(zhǔn)確、靈活地完成工作,開發(fā)了水平夾緊和垂直夾緊兩套導(dǎo)軌。機(jī)械手的驅(qū)動裝置為氣缸,氣缸為雙缸式結(jié)構(gòu),能夠在使用中有效增大爪桿的運動性能。
通過對機(jī)械手的硬件設(shè)計、集成和軟件編程,對整個系統(tǒng)進(jìn)行了檢查、測試、調(diào)試,并投入運行。需調(diào)試時,先確認(rèn)其周圍安全,確認(rèn)機(jī)器人處于初始狀態(tài)之后,在用試用的方式展開首次操作。首先為了保證產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)格符合具體要求,需要對機(jī)械手的行動軌跡進(jìn)行設(shè)置,然后對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,然后對機(jī)械手的夾緊力進(jìn)行調(diào)整,以免太松抓不住產(chǎn)品,以免太緊對產(chǎn)品造成損壞。
在該系統(tǒng)的長期使用中,即使機(jī)器人始終維持在預(yù)設(shè)參數(shù)范圍運行,部分組件仍有磨損和損壞的可能。系統(tǒng)應(yīng)配備預(yù)警系統(tǒng),防止由組件損壞帶來的危險。同時3D 摸擬機(jī)器人軟件(例如robot studio),可以用來排查損壞的零件以及常規(guī)運行中可能出現(xiàn)的風(fēng)險,從而做到快速維修以及風(fēng)險規(guī)避。
當(dāng)前,機(jī)電一體化技術(shù)已逐漸應(yīng)用于機(jī)械臂的設(shè)計?;跈C(jī)電一體化技術(shù),設(shè)計了一款新的搬運機(jī)器人機(jī)械手,該方案采用電磁閥實現(xiàn)對機(jī)械手的控制,然后由外部線圈控制發(fā)動機(jī),對機(jī)械手的前進(jìn)后退動作進(jìn)行控制。在操作過程中,不同部位的開關(guān)產(chǎn)生通斷信號,傳遞給PLS 控制器,這種機(jī)械手可以進(jìn)行升降、退火和長時間運行,以滿足生產(chǎn)車間要求。