工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手的制作探究

張書林

（寧波市北侖職業(yè)高級中學(xué)，浙江 寧波 315800）

引言

在工業(yè)自動化發(fā)展階段，工業(yè)機(jī)械手作為不可缺少的部分，市場對其需求較高。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國工業(yè)區(qū)約有76%左右企業(yè)希望以機(jī)械代替人工，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全自動化[1]。但是，在尋找專業(yè)機(jī)械臂過程中，并未在市場上發(fā)現(xiàn)適宜的工業(yè)機(jī)械手。為此，設(shè)計(jì)制作了一款多數(shù)企業(yè)均可用的三軸機(jī)械手，且機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、占地小等優(yōu)勢。

1 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手的性能優(yōu)勢

相比于市面上的機(jī)械手，三軸機(jī)械手性能具有如下優(yōu)勢，見表1。

表1 機(jī)械手質(zhì)量性能優(yōu)勢

2 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

新型工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手包括底座和中座，中座下端為Z軸伺服電缸，其輸出軸穿過中座與升降座連接，中座與升降座圍繞輸出軸均勻布置若干直線軸承，中座下端圍繞Z軸伺服電缸均勻布置若干個立柱，若干個立柱下端固定在底座，升降座上端裝設(shè)C軸支架，支架上端轉(zhuǎn)動連接同步隱藏式滑軌，支架內(nèi)安裝設(shè)C軸伺服電機(jī)和減速機(jī)，C軸伺服電機(jī)輸出軸通過減速機(jī)與同步隱藏式滑軌相連，同步隱藏式滑軌一端安裝有X軸伺服電機(jī)，同步隱藏式滑軌的另一端安裝有電磁吸盤。X、Z、C三個坐標(biāo)軸可單獨(dú)移動，也可聯(lián)合移動，實(shí)現(xiàn)了由一點(diǎn)至另一點(diǎn)的搬運(yùn)目的，且本機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、裝配與搬運(yùn)方便，具體如圖1、圖2、下頁圖3所示。

3 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手的制作

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手局部結(jié)構(gòu)（一）示意圖

圖3 工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手局部結(jié)構(gòu)（二）示意圖

在本設(shè)計(jì)中，三軸機(jī)械手主要通過傳感器采集信息，以控制器控制設(shè)備運(yùn)行，以伺服電機(jī)與PLC連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與自動化運(yùn)行[2]。本設(shè)計(jì)中，通過讓三軸機(jī)械手于各種環(huán)境下、同一時間周期循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動抓取、定位準(zhǔn)確、移動穩(wěn)定等作用?？刂破髯鳛闄C(jī)械手控制核心，軟件制作是核心。事先編譯好程序，并將其導(dǎo)入控制器，接入計(jì)算機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手整體控制（注意：編程設(shè)計(jì)應(yīng)保障準(zhǔn)確、高效）。

3.2 電機(jī)控制器的選擇

在三軸機(jī)械手運(yùn)行中，伺服電機(jī)控制器作為重要組成部分，通過與伺服驅(qū)動器連接，實(shí)現(xiàn)對某過程精確跟隨/復(fù)現(xiàn)，靈活控制伺服驅(qū)動器輸出速度、力矩、位置等[3]。伺服系統(tǒng)主要作用為：由輸入軸控制遠(yuǎn)處輸出軸，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步、精確傳動。

3.2.1 伺服驅(qū)動器

新型工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手運(yùn)動中，伺服驅(qū)動器作為重要組成，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動化的控制器，伺服電機(jī)是其主要控制對象，是整個伺服系統(tǒng)的基層。能夠控制伺服電機(jī)精確定位機(jī)械手，控制機(jī)械手穩(wěn)定運(yùn)行。本工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手制作采用松下伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器驅(qū)動電路以智能功率模塊作為核心，能夠準(zhǔn)確檢測過電流、過電壓、欠壓、過熱等故障，保護(hù)驅(qū)動電路，在主回路內(nèi)，軟啟動電路減小了電路啟動對驅(qū)動器的沖擊，保障了驅(qū)動電機(jī)使用壽命。驅(qū)動器控制核心為數(shù)字信號處理器，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜控制算法，數(shù)字化、智能化水平較高，提高了機(jī)械手定位精準(zhǔn)度與運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2.2 伺服電機(jī)

本工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手采用松下伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)能夠精準(zhǔn)控制速度，原理簡單，成本低，使用便利；交流伺服電機(jī)速度控制特性良好，能夠?qū)φ麄€速度區(qū)平滑控制，無震蕩，效率達(dá)到90%以上，無發(fā)熱，可高速控制，高精確定位。

3.3 機(jī)械手的安裝

本次研究的機(jī)械手主要用于沖壓機(jī)床前，以此實(shí)現(xiàn)物料上下料的自動化。然而，傳統(tǒng)上下料以人工或者專機(jī)為主，由于下料勞動力大，不僅增大了成本，還易導(dǎo)致工傷事故；專機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積廣，維修不便，影響了流水線生產(chǎn)自動化步伐[4]。為此，本實(shí)用三軸機(jī)械手將三軸裝設(shè)于同一垂直基準(zhǔn)，同時，伸縮軸縮回后，旋轉(zhuǎn)軸方可運(yùn)行，以此降低設(shè)備占地空間，且設(shè)備運(yùn)行范圍未縮小，減少了空間占用，提高了維修便利性，為機(jī)械手的可持續(xù)應(yīng)用提供推動力。而本實(shí)用三軸機(jī)械手在制作過程中，上下軸裝設(shè)在底部，旋轉(zhuǎn)軸裝設(shè)在伸縮軸電缸上方，伸出軸裝設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸的圓盤上方。旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行時，以松下伺服驅(qū)動器驅(qū)動（220 V交流電、2.6 A、0.24 kW），為避免斷電導(dǎo)致設(shè)備因自重掉落，驅(qū)動器應(yīng)帶有抱閘線圈。旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)與上部絲杠電缸相連，當(dāng)點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)，帶動上部絲杠，缸體開始上下移動。伺服電機(jī)作為驅(qū)動器動力源，應(yīng)將電機(jī)聯(lián)軸器和上端圓盤連接，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行，上端圓盤開始旋轉(zhuǎn)，帶動伸出軸運(yùn)行。為提高圓盤運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)在設(shè)備上裝設(shè)減速機(jī)。在伸縮軸兩端，裝設(shè)傳動齒輪，傳動此輪連接傳動帶，后端傳動齒輪和電機(jī)聯(lián)軸器連接，電機(jī)運(yùn)行，帶動傳動帶，上方滑塊向前移。如此，各個零部件連接完畢后，三軸機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了上升下降、前進(jìn)后退、旋轉(zhuǎn)三個自由度限位運(yùn)行。且機(jī)械手與機(jī)床并不相連，為單獨(dú)個體，即使機(jī)械手出現(xiàn)故障，也并不影響機(jī)床運(yùn)行，機(jī)械手能完全替代人工，實(shí)現(xiàn)自動化上下料，滿足大批量生產(chǎn)需求。本實(shí)用機(jī)械手在制作完畢后，其總高度達(dá)850 mm，機(jī)械臂上下移動有效行程達(dá)275 mm，機(jī)械臂最長伸長量達(dá)1 100 mm，質(zhì)量達(dá)200 kg。

3.4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面以PLC控制系統(tǒng)控制作為融合了微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)的新工業(yè)控制裝置，取代了記時、知性邏輯、繼電器等順序控制，構(gòu)建了柔性遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，擁有使用便利、高通用性、高可靠性、編程簡單等優(yōu)勢。界面采用臺達(dá)觸摸屏（10寸），操作便利，畫面清晰，具有較強(qiáng)信息反饋能力。界面畫面制作時，根據(jù)三軸機(jī)械手不同運(yùn)行方式劃分為：主界面、自動運(yùn)行界面、手動運(yùn)行界面、設(shè)置界面、監(jiān)視數(shù)據(jù)界面等。如：在手動操作界面，應(yīng)做好速度參數(shù)的設(shè)置，在手動模式下，應(yīng)具備機(jī)械手上升下降、伸出縮回、正轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕，以此保障手動操作的靈活性。自動操作界面設(shè)置時，應(yīng)具備速度自定義、行程自定義等功能，擁有啟動、暫停、復(fù)位、急停等功能，如此，在工序改變時，無需專業(yè)人員操作或編輯程序，只需要觸碰相應(yīng)按鈕即可，有效縮短生產(chǎn)時間，減小生產(chǎn)成本，機(jī)械手生產(chǎn)效率有保障。在監(jiān)視界面，應(yīng)該能夠?qū)Ω黜?xiàng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時反饋，以此掌握各軸速度、位置等，并設(shè)置報警系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并反饋，保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性[5]。

4 結(jié)論

本實(shí)用工業(yè)搬運(yùn)三軸機(jī)械手，不僅可實(shí)現(xiàn)上下、左右、180°旋轉(zhuǎn)六個方位限位運(yùn)行，還能夠自由替換裝夾設(shè)備，在眾多工業(yè)中都可適用。伺服驅(qū)動器的精確定位與高控制精度，為機(jī)械手從事更多工作奠定了基礎(chǔ)。人機(jī)交互界面進(jìn)一步提高了操作簡便性。