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

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(dòng)成本直線上升，勞動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(guó)內(nèi)大多數(shù)的機(jī)械手都是用PLC 控制的，而國(guó)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(fèi)用較高，使得中小型加工企業(yè)對(duì)其望而卻步，而加快國(guó)內(nèi)搬運(yùn)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。

1 搬運(yùn)機(jī)器手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

裝卸機(jī)械手的工作原理是x 軸發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給x 軸，Z軸發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)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(shí)，首先點(diǎn)擊觸摸屏上的復(fù)位按鈕，驅(qū)動(dòng)模塊接收主控模塊的復(fù)位指令，并在工作臺(tái)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(tái)產(chǎn)生摩擦，當(dāng)將機(jī)械手上升到工作臺(tái)的一定位置之后，再驅(qū)動(dòng)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]。

2 基于機(jī)電一體化技術(shù)的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)方案

搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)由本體、作動(dòng)器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分組成，主體支持腕臂，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向執(zhí)行器供電。該系統(tǒng)是自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)的指揮中心，可存儲(chǔ)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(hào)設(shè)置力矩信號(hào)。最終任務(wù)是移動(dòng)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(dòng)，按啟動(dòng)按鈕，傳感器在取料點(diǎn)取料，按照老師指示的路徑，將材料放在加工點(diǎn)，返回原點(diǎn)，等待提升。運(yùn)行期間，啟動(dòng)應(yīng)急停車按鈕后，系統(tǒng)的運(yùn)行停止。另外，可以用復(fù)位鍵來恢復(fù)。本文介紹了自動(dòng)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(jì)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(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)自動(dòng)減速。在機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。在工位運(yùn)行信號(hào)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(jì)合理的基礎(chǔ)上，為了滿足不同工藝生產(chǎn)需求，I/O 點(diǎn)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(shí)現(xiàn)工件的成功抓取，為搬運(yùn)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(jì)時(shí)，要以物料移載方法為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代化執(zhí)行裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yùn)需求，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。本研究設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)部件組成的垂直和水平夾持器，以提高材料的搬運(yùn)效率。雙缸結(jié)構(gòu)增加了起重機(jī)輪轂，氣缸驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試與啟動(dòng)。環(huán)境安全必須在調(diào)試過程中進(jìn)行驗(yàn)證。手持式機(jī)器人根據(jù)指定的軌跡設(shè)定程序點(diǎn)，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 系統(tǒng)方案

2.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（圖1）

圖1 自動(dòng)搬運(yùn)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(dòng)裝置和其它設(shè)備也與機(jī)器本體相連。傳動(dòng)系統(tǒng)位于機(jī)體內(nèi)部。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是給執(zhí)行器供電。傳動(dòng)系統(tǒng)按能量可分為液壓、氣動(dòng)、電氣、機(jī)械四大類。該控制系統(tǒng)是自動(dòng)處理系統(tǒng)的指揮中心，控制系統(tǒng)通過對(duì)榴彈進(jìn)行控制，還能存儲(chǔ)各種指令(例如：動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、移動(dòng)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(dòng)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(yùn)機(jī)器人機(jī)械手要完成一項(xiàng)工作過程，必須經(jīng)過向上、下落、左移、右移、抓握、放松、轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間。自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)的操作流程如下：

(1)按下起動(dòng)按鈕，當(dāng)傳感器收到信號(hào)后，去取料點(diǎn)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(diǎn)，放料。

(4)重新開始作業(yè)。

(5)等待下一次處理請(qǐng)求。

(6)接收傳感器信號(hào)后重復(fù)上述動(dòng)作。

(7)在搬運(yùn)時(shí)，如果需要暫停運(yùn)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(dòng)按鈕，機(jī)械手就會(huì)恢復(fù)原來的工作狀態(tài)。

(8)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)急停按鈕一啟動(dòng)，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(diǎn)后，系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)。

其工作流程如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)搬運(yùn)工作流程

2.2 工業(yè)機(jī)器人本體

機(jī)械臂是整個(gè)自動(dòng)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(yùn)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(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：旋轉(zhuǎn)、提升、伸長(zhǎng)、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)

2.3 控制系統(tǒng)（圖3）

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(tái)SPS 工作站上運(yùn)行的設(shè)備。用觸摸屏輸入操作指令，顯示過程狀態(tài)，存儲(chǔ)程序值和報(bào)警。對(duì)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(duì)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(chǎng)主流PLC 通訊。適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，多參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示。

2.4 執(zhí)行裝置

控制臺(tái)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(xiǎn)化學(xué)品，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員健康安全，操作合理，節(jié)約勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。所以，設(shè)計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)性能。

2.5 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

通過對(duì)機(jī)械手的硬件設(shè)計(jì)、集成和軟件編程，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了檢查、測(cè)試、調(diào)試，并投入運(yùn)行。需調(diào)試時(shí)，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(duì)機(jī)械手的行動(dòng)軌跡進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后對(duì)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(duì)產(chǎn)品造成損壞。

2.6 系統(tǒng)維護(hù)

在該系統(tǒng)的長(zhǎng)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(yùn)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(xiǎn)。同時(shí)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(yùn)行中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，從而做到快速維修以及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。

3 結(jié)論

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(jì)。基于機(jī)電一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手，該方案采用電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制，然后由外部線圈控制發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)機(jī)械手的前進(jìn)后退動(dòng)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(hào)，傳遞給PLS 控制器，這種機(jī)械手可以進(jìn)行升降、退火和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)車間要求。