基于KeMotion系統(tǒng)的一種新型機械臂自動取料氣夾裝置的開發(fā)

葉坤煌

摘要：項目是在KeMotion系統(tǒng)設(shè)計一種能自動取料的氣夾裝置。其結(jié)構(gòu)主要由連接桿和真空吸盤構(gòu)成，各部件相互之間是采用螺栓進行固定的，每個連接桿下方都安裝有相對應(yīng)的吸盤，并且通過其頂端的旋轉(zhuǎn)裝置器來完成轉(zhuǎn)動連接功能的。在運行狀態(tài)下吸盤的內(nèi)部會產(chǎn)生一定的負(fù)壓力，而這種負(fù)壓力也會產(chǎn)生一定的擠壓和排壓力，而且要通過外力吸住內(nèi)部的空氣，才能達(dá)到吸住物料的效果。同時該種機械臂完全能夠代替人工對物料的取放工作，避免了人工搬運的低效率，滿足現(xiàn)代企業(yè)的高效率使用要求。

關(guān)鍵詞：KeMotion;機械臂;自動取料;氣夾裝置

中圖分類號：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0001-02

0 引言

隨著智能化時代的不斷發(fā)展，自動化控制在工業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，因此對于一些搬運取料設(shè)備的生產(chǎn)效率也要不斷更新，讓自動化控制的整體優(yōu)越性能更好地體現(xiàn)出來，發(fā)揮其重要作用，進而代替人工搬運，這樣將會使企業(yè)的生產(chǎn)運作大大的改變，為企業(yè)帶來長遠(yuǎn)和可觀的生產(chǎn)效益。由于我國人口老齡化日趨嚴(yán)峻，越來越多的生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)用工難，而且也面臨著勞動力成本不斷上升的困境，因此自動化機械就顯得尤為重要，而且其智能化要求也越來越高，由于在生產(chǎn)工藝較復(fù)雜的工況中自動化機械臂能代替人工操作，大大減少了勞動力，因此被受企業(yè)的廣泛使用。而自動化機械臂性能的好壞、結(jié)構(gòu)的合理，將直接影響其企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著國家綜合實力的飛速發(fā)展，企業(yè)對自動化機械臂的需求也越來越大，使市場形成了強制驅(qū)動作用，所以只有不斷開發(fā)出更好的自動化設(shè)備，才能受到企業(yè)的好評和廣泛使用。中國是一個人口大國，勞動成本越來越高，面對龐大的人口基數(shù)，設(shè)計研發(fā)一款實用的自動取料機械臂具有重大的現(xiàn)實意義。機械行業(yè)是一個技術(shù)要求相對較高的行業(yè)，改革開放以來，隨著科學(xué)技術(shù)的提高以及國外機器人的引進，國家注重市場的研發(fā)，繼而擴大市場份額，因此對國內(nèi)的小型機械化行業(yè)具有一定的影響。

1 KeMotion系統(tǒng)的概述

KeMotion是一款多軸運動機器人的控制器，而這款控制器自身控制系統(tǒng)軟硬件都是屬于模塊化的。系統(tǒng)硬件是KeMotion 控制器和各種外部控制模塊，其連接方式是通過以太網(wǎng)總線與控制器進行相互連接的，能和各種應(yīng)用軟件進行相互兼容。軟件方面也為用戶提供了一整套完整的操作手冊、故障診斷、故障排除、參數(shù)調(diào)試等應(yīng)用。

KeMotion控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)共分成三部分：第一部分是控制器的控制系統(tǒng)軟件;第二部分是終端運行的軟件，主要有監(jiān)控、操作、診斷等;第三部分是在PC上運行的工具軟件，具體是編程開發(fā)、監(jiān)控、操作、診斷程序等。

2 取料機械臂的主要組成

工業(yè)機器人按其運動形式可分為四種，每種機器人根據(jù)其工作場所不同，運動方式不同。有的是通過液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動，這種機器人一般需要承受較大的力，有的是通過氣動系統(tǒng)進行驅(qū)動，還有對精度要求較高的是采用伺服電機進行驅(qū)動。因此在對取料機械臂基座進行設(shè)計時要考慮其足夠的剛度和強度。

取料機械臂主要是由伺服電機、基座、手臂、手腕、夾持裝置和控制系統(tǒng)等組成的。此類型機械臂和其他類型的機械臂有著很多優(yōu)越性，具體是機械臂在夾取物料時要保證機械臂整體穩(wěn)定性，因此探頭就要根據(jù)不同類型的工件需要，設(shè)計不同自由度的夾取方式，而對于一些工件結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜的，對機械臂的要求也就會更高了。同時機械臂的驅(qū)動形式也是各種各樣，有些采用液壓驅(qū)動，比如搬運機械臂;有些采用氣壓驅(qū)動，比如採抓機械臂;還有些采用伺服驅(qū)動的，比如本項目的設(shè)計就是采用伺服驅(qū)動的，所以機械臂各個關(guān)節(jié)要實現(xiàn)自動化必需采用伺服電機進行控制。

3 自動取料氣夾裝置的原理和設(shè)計

當(dāng)取料機械手運行工作時，要根據(jù)工件的實際位置，通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，并調(diào)節(jié)機械手臂和氣夾間的角度、方位來抓取物料的。雖然機械臂每個關(guān)節(jié)都安裝了氣壓缸，再運行抓取物料時，看似一個簡單的動作，但是需要復(fù)雜的程序和坐標(biāo)點進行準(zhǔn)確定位，才能保證準(zhǔn)確抓取工件。市場上機械臂的種類有千百種，而且影響我們生活的方方面面，因為它們具有操作方便、可靠性高、安全、舒適等特點。機械臂的運動是通過調(diào)節(jié)各個關(guān)節(jié)運動來實現(xiàn)其操作要求的，以下是自動取料氣夾裝置的立體主視圖，如圖2所示。

項目中取料機械臂是多角度多方位對工件進行夾持的，因此設(shè)計時必需考慮取料機械手的自由度要多，而且靈活性也要好。取料機械臂開始運作時首先要對取料的相對位置進行踩點和定點，并通過觸點傳感器把信號反饋給PLC控制系統(tǒng)，然后通過收集的點坐標(biāo)進行反饋，最后機械臂才會開始對工件進行抓取。此項目的機械臂結(jié)構(gòu)是由連接桿和真空吸盤構(gòu)成，各部件之間的緊固是通過螺栓進行固定的，每個連接桿下方都安裝有相對應(yīng)的吸盤，運行時通過頂端的旋轉(zhuǎn)裝置器來完成轉(zhuǎn)動連接功能的。并且在運行工作時吸盤的內(nèi)部也會產(chǎn)生負(fù)壓，而這種負(fù)壓會產(chǎn)生一定的擠壓和排壓，如果要吸住物料，需要借助外力來吸住內(nèi)部的空氣，以達(dá)到吸住物體的效果。這種設(shè)計也可以使每個關(guān)節(jié)進行不同方位的運動，并通過伺服系統(tǒng)的控制，最終達(dá)到運轉(zhuǎn)的相關(guān)要求。當(dāng)抓取的工件物料較為復(fù)雜時，抓取的時間就會長，而且抓取的精度也會略低，當(dāng)抓取的工件物料形狀較簡單時，抓取的整體效果和質(zhì)量就會好，時間也會比較短，因此要根據(jù)實際抓取的物料選擇設(shè)計方案，才能設(shè)計出不同類型的取料機械臂，這樣才能夠做到物極所用。

4 取料機械臂手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)我?，F(xiàn)有實驗室物料取放的通用性，并結(jié)合設(shè)計理念，可采用垂直方式抓取物料，因此機械臂手腕設(shè)計時要設(shè)計相應(yīng)的擺動弧度才能滿足取料的使用參數(shù)要求。在運行工作時，要使驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)，驅(qū)動力矩必須克服起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，因為轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動軸與支承孔的摩擦力矩，還有動片與缸徑、定片、端蓋等處的摩擦力矩，以及轉(zhuǎn)動部件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。因此手腕運行轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按以下算式計算：

M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封

式中：M驅(qū)是表示驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的力矩;

M慣是表示慣性力矩;

M偏是表示轉(zhuǎn)動部件的重量對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩;

M摩是表示轉(zhuǎn)動軸與支承孔處產(chǎn)生的摩擦力矩;

M封是表示手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。

5 結(jié)語

伴隨著人類社會全面而又高速的發(fā)展，現(xiàn)代化、智能化水平的不斷提升，人類社會和人們生活正在發(fā)生著日新月異的變化。本項目的設(shè)計理念是根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計的，首先分析了取料機械臂在國內(nèi)外的使用情況，通過對其工作原理和機械臂的各個部分進行力學(xué)分析才完成設(shè)計的。該類型機械臂采用的是PLC控制器，其控制核心穩(wěn)定，使用高效快捷，同時為了進一步簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少裝置內(nèi)部的傳感器安裝，也為了避免人工搬運的低效率和不安全性，因此也對機械臂的構(gòu)成和分類作了工藝上的設(shè)計和改進，以此來滿足現(xiàn)代企業(yè)的高效率使用要求，從而來降低企業(yè)的生產(chǎn)成本和維修成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 李林青，陳綺麗，劉偉，張卓軍，李若泓.注塑機平行式自動取料機械手設(shè)計[J].機械工程師，2011（11）：9-11.

[2] 孫新國.玻璃鍍膜取料機械手設(shè)計[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，26（01）：43-47.

[3] 周鴻杰，駱敏舟，李濤，徐林森，胡曉娟.基于PLC的工業(yè)取料機械手系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010（03）：50-52+57.

[4] 周鴻杰，駱敏舟.基于步進電機的工業(yè)取料機械手的定位控制[J].自動化與儀器儀表，2010（01）：123-125.

[5] 何勰緋.基于工業(yè)PC的取料機械手控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（07）：6-7.

[6] 何勰緋.多線程在工業(yè)取料機械手控制軟件中的應(yīng)用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009， 22（03）：184-186.

Development of a New Automatic Feeding Air Clamp Device for

Manipulator Based on KeMotion System

YE Kun-huang

（Minnan Polytechnic Institute，Shishi Fujian? 362700）

Abstract：The project is to design a kind of air clamp device which can automatically fetch material in KeMotion system. Its structure is mainly composed of connecting rod and vacuum suction cup. Each component is fixed by bolts. There are corresponding suction cups under each connecting rod， and the rotating connection function is completed through the rotating device at the top of each connecting rod. In the operation state， the suction cup will produce a certain negative pressure， and this negative pressure will also produce a certain pressure of extrusion and drainage， and through external force to absorb the internal air， in order to achieve the effect of absorbing materials. At the same time， this kind of manipulator can completely replace the manual fetching and placing of materials， avoid the low efficiency of manual handling， and meet the requirements of modern enterprises for efficient use.

Key words：KeMotion; mechanical arm; automatic feeding; air clamp device