基于PLC的上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

王樂天 王夢嬌 趙銀萍 韓繼瑞

摘要：工業(yè)4.0時代是智能制造時代，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化將會是未來機械制造行業(yè)的核心競爭力。目前，很多中小企業(yè)的沖壓程序還是以人工方式為主，這將會在未來的競爭中被淘汰。因此，本文對基于PLC技術(shù)的自動上下料的機械手結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，希望能夠為中小企業(yè)智能制造的轉(zhuǎn)型升級提供一定的建議。

關(guān)鍵詞：PLC;上下料機械手;自動化設(shè)計;智能制造

0? 引言

機械手是機器人的核心裝置，抓取、轉(zhuǎn)移或操作工具等功能都由其來實現(xiàn)，涉及到力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、計算機等多個學(xué)科。機床上下料是一項高強度、高精度和具有危險性的周期重復(fù)性工作，毋庸置疑，人工操作會帶來低生產(chǎn)效率，高勞動強度，產(chǎn)品的不穩(wěn)定性和安全隱患。而機械手上下料可以實現(xiàn)在噪音、高溫和危險環(huán)境下穩(wěn)定、重復(fù)和連續(xù)作業(yè)，確保動作準確，定位精確，因此在未來工業(yè)生產(chǎn)中，將會逐漸代替人工。

1? 應(yīng)用環(huán)境和設(shè)計要求

1.1 應(yīng)用環(huán)境

沖壓機床是本設(shè)計的主要應(yīng)用環(huán)境，主要用于鈑金零件的沖壓加工，多臺機床組成了沖壓生產(chǎn)線，因為沖床配了足夠的中轉(zhuǎn)臺，因此在設(shè)計中只考慮機械手的性能。上下料機械手的操作比較簡單，快速定位，完成沖壓的物料轉(zhuǎn)移。因此，要求機械手具有承壓能力，要將部件精確地送到?jīng)_床臺，在沖壓床完成工作之后要及時將物料轉(zhuǎn)移。同時機械和物料之間要實現(xiàn)獨立作業(yè)，確保生產(chǎn)效率每分鐘超過10件。

此外設(shè)計還應(yīng)該能夠適應(yīng)不同的工作場景，包括機床加工工件的裝卸，滿足裝配作業(yè)的需要，可以代替其它高危險、高重復(fù)和簡單操作的作業(yè)。系統(tǒng)的拓展性能好，除了沖壓機床的工作環(huán)境之外，經(jīng)過改裝設(shè)計也能夠適用于其它生產(chǎn)線上下料場景。

1.2 設(shè)計要求

1.2.1 機械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，機械手本身結(jié)構(gòu)輕小，緊湊，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，噪音小，工作可靠，經(jīng)過測試不會發(fā)生安全問題。本著成本低廉、節(jié)能降耗、方便靈活、部署簡單的原則，靈活性高，適應(yīng)面廣，拓展性強，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出模塊化特征，方便后期控制安裝、維護和維修。

1.2.2 操作系統(tǒng)設(shè)計要求

控制系統(tǒng)簡單明了，操作方便，人機界面和諧，能夠?qū)崿F(xiàn)工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度的建議控制，有手動和自動界面切換，方便緊急切換。系統(tǒng)采用PLC開放式控制器，提升標準化水平和器件集成度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕巧化和模塊化，同時結(jié)合智能化技術(shù)，引入視覺、聽覺、觸覺傳感器。

1.2.3 機械手整體系統(tǒng)設(shè)計要求

機械手整體設(shè)計要求簡單實用，靈活度高，能夠適應(yīng)不同場景的工作環(huán)境。機械手和人手的最大區(qū)別就在于人手能夠在不同的環(huán)境下靈活最初應(yīng)對，而機械手本身靈活度遠不如人手，而且機械手缺乏對環(huán)境的判斷能力，在環(huán)境改變時仍然按照既定程序繼續(xù)操作。因此，要提高其工作能力就要從兩個方面入手，一是提高控制系統(tǒng)的智能化程度，比如，傳感器是機械手的感覺器官，除了采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度傳感器之外，要提升其智能化程度，還應(yīng)該采用視覺、聽覺和觸覺等傳感器，結(jié)合控制系統(tǒng)引入畫面控制，通過多傳感器和多控制器進行復(fù)雜機電控制。二是提高機械結(jié)構(gòu)的自由度，比如自由度和動作設(shè)計方面，根據(jù)工作要求，機械手需要到達沖床臺A、中轉(zhuǎn)臺和沖床臺B三個位置，有抓取、上升、轉(zhuǎn)移、下降、放料等動作。這至少需要四個自由度，但是在設(shè)計中都要增加自由度，因為自由度越多，機械手就越靈活。

1.2.4 機械手各個機構(gòu)設(shè)計要求

手爪設(shè)計要以體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、活動空間大為原則。同時，必須要了解的是萬能手爪是不存在的，越是想要實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的萬能手爪所帶來的問題越多。因此在設(shè)計上應(yīng)該本著模塊化的原則，開發(fā)各種高效率的手爪，并且方便替換功能，專用的手爪完成專業(yè)的工作。在設(shè)計中要強化手爪的通用性，實現(xiàn)末端執(zhí)行接口的標準化，或者安裝法蘭等標準接口。手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計要求同樣是結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計輕巧，自由靈活。為了確保工作時具有要求的強度，各個構(gòu)件結(jié)構(gòu)要有一定剛度和物理性能。腕部結(jié)構(gòu)進行通用性設(shè)置，連接標準法蘭，適應(yīng)不同機械手爪的替換。盡管手腕的自由度越多，靈活性越高，但是也會帶來成本增加和控制困難的問題，因此自由度數(shù)要根作業(yè)需要來部署。手臂結(jié)構(gòu)尺寸要設(shè)計合理，滿足空間需要;為了確保精度和運動能力提升，應(yīng)該使用輕質(zhì)材料降低重量。機械手臂其關(guān)節(jié)軸要相互平行，這樣可以簡化正逆運算。同樣，機械軸承之間的間隙要小，減少運動計算誤差，也要做好關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸平衡，提高響應(yīng)速度。腰座機構(gòu)承擔回轉(zhuǎn)功能，因此要在提升其負載能力的基礎(chǔ)上，保證腰部軸系的精度和剛度，同時方便安裝調(diào)整，減輕慣性的影響。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要減小摩擦，控制精確，提升剛度和加速能力，選擇最佳傳動比和阻尼比。

2? 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手總體結(jié)構(gòu)的布局如圖1所示：包括機床、流水線、原點位置、裝卸位置、取送位置等，流水線通過托盤運送供料。

2.2 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用連桿杠桿式設(shè)計，連桿連接活塞循環(huán)往復(fù)工作，通過活塞桿齒輪和齒條的位置控制來來設(shè)置張開角度大小的不同。操作機最末端是機械手的手腕，配合手臂和手爪完成作業(yè)工作。由于本設(shè)計環(huán)境是上下料操作，因此采用夾持裝置，在手爪上裝有傳感器裝置。

2.3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

在腕部各關(guān)節(jié)要設(shè)置限位開關(guān)，以實現(xiàn)嚴格控制位置，確保不因為負載超限而造成結(jié)構(gòu)損壞，在操作中確保手爪工作的連貫，加裝傳動間隙調(diào)整機構(gòu)，提高傳動的精度。具體設(shè)計中減少自由度，包括手臂手爪連接梁、執(zhí)行手爪、水平液態(tài)壓鋼支撐板三個結(jié)構(gòu)。

2.4 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到作業(yè)環(huán)境中工件質(zhì)量較大，多達28kg以上，因此采用液壓驅(qū)動進行控制，為增加剛度設(shè)計中小臂增加了導(dǎo)桿機構(gòu)，與活塞桿形成三角形截面，大臂四個導(dǎo)桿，呈四邊形結(jié)構(gòu)。為減小質(zhì)量，提升穩(wěn)定性，采用空心設(shè)計方式，選擇剛度高的材料。

2.5 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先是腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用電機驅(qū)動，同時采用高精度材料制造，腰部結(jié)構(gòu)包括步進電機、大齒輪、回轉(zhuǎn)軸、圓錐滾子軸承、腰座和基座等部位。其次是傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用圓柱齒輪傳動，用大傳動比齒輪傳動，減小誤差。第三是驅(qū)動系統(tǒng)，采用液壓缸驅(qū)動，以中間齒輪和扇形齒輪配合，要求手臂具有伺服定位能力。平衡機構(gòu)采用圓柱坐標設(shè)計，整個機械手的設(shè)計中都考慮到平衡問題，同時設(shè)置了彈簧平衡機構(gòu)。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

采用PLC進行控制，精確度高，控制能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)完全無人化作業(yè)，有自動化水平高，生產(chǎn)效率提升，占地面積小，經(jīng)濟成本低，模塊化和拓展性強的優(yōu)點。當開啟信號收到時，系統(tǒng)向電機發(fā)送信號，電機驅(qū)動機械臂，繼電器控制開張動作，各個機構(gòu)在PLC的控制下完成不同功能。同時系統(tǒng)也結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，在操作界面大屏幕的基礎(chǔ)上，引入了遠程系統(tǒng)，更好地觀察機械手的作業(yè)狀態(tài)。未來在智能化領(lǐng)域還應(yīng)該結(jié)合自動控制、傳感器、機器視覺、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），GPS、云平臺、多光譜傳感模糊控制等諸多技術(shù)，甚至將行走機構(gòu)結(jié)合起來。

3? 結(jié)語

機械手的使用可以大大地降低工人的勞動強度，提升生產(chǎn)效率，還能夠在極端惡劣的環(huán)境下進行高程度、重復(fù)性和危險性的工作，因此在未來的設(shè)計中要進一步提升其智能化水平，滿足工業(yè)4.0時代的需求。

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