物料搬运机械手的设计开发

ｄｏｉ:１０.１６５７６/ｊ.ｃｎｋｉ.１００７－４４１４.２０１９.０１.０３１

物料搬运机械手的设计开发∗

李永胜１ꎬ任㊀倩２

(１.四川大学锦城学院ꎬ四川成都㊀６１１７３１ꎻ２.成都航利(实业)有限公司ꎬ四川成都㊀６１１９３６)摘㊀要:为满足多工位加工生产线的需要ꎬ结合近年来在制造领域应用广泛的ＰＬＣ技术ꎬ设计了３自由度气动机械手ꎬ在机械手本体部分㊁驱动部件㊁测控电路设计的基础上ꎬ对ＰＬＣ控制系统的元件选用㊁Ｉ/Ｏ口分配㊁程序编制进行了详细设计ꎬ满足了机械手运行轨迹ꎬ行程ꎬ载荷等方面的要求ꎮ

关键词:气动机械手ꎻＰＬＣ控制ꎻ步进电机

中图分类号:ＴＰ２４１㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００７－４４１４(２０１９)０１－０１０３－０２

ＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌＨａｎｄｌｉｎｇＰｎｅｕｍａｔｉｃＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ

ＬＩＹｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ１ꎬＲＥＮ㊀Ｑｉａｎ２

(１.ＪｉｎｃｈｅｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ㊀６１１７３１ꎬＣｈｉｎａꎻ

２.ＣｈｅｎｇｄｕＨａｎｇｌｉ(Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄꎬＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ㊀６１１９３６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｄｅｍａｎｄｓｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｓｔａｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｉｎｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓꎬｔｈｅ３－ＤｏＦｐｎｅｕｍａｔｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄＰＬＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｒｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｉｅｌｄｉｎｒｅ￣ｃｅｎｔｙｅａｒｓ.Ｂａｓｅｄｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｐｏｗｅｒ－ｄｒｉｖｅｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓꎬａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒ￣ｃｕｉｔꎬｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅＩ/Ｏｐｏｒｔａｌｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｃｏｕｌｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎａｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｍｏｖｉｎｇｔｒａｊｅｃｔｏｒｙꎬｒｏｕｔｅａｎｄｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｎｅｕｍａｔｉｃｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒꎻＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌꎻｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒ

０㊀引㊀言

在机械制造业中机械手已广泛应用ꎬ并深刻地影响现代机械加工ꎬ对机械手的结构㊁运动和控制的研究日益增多[１]ꎮ为满足多工位加工生产线的需要ꎬ本文设计了圆柱坐标型的３自由度机械手ꎬ执行部件能够按照规定的动作顺序ꎬ以一定的速度和运动轨迹将重物从生产线上Ａ处移动到Ｂ处ꎮ机械手的水平和垂直直线运动由气缸活塞的运动实现ꎬ采用开环控制的步进电机实现机械手的旋转ꎬ结构简单并具有一定的旋转精度[２－３]ꎮＰＬＣ控制气缸㊁真空吸盘和步进电机的动作顺序ꎬ并能对机械手的动作和运动轨迹进行实时监控ꎮ

１㊀机械手的本体结构设计

机械手本体设计如图１所示ꎮ

图１㊀机械手的本体设计㊀㊀机械手吸附重物较轻ꎬ采用较为简洁的悬臂方式ꎬ水平气缸采用ＳＭＣ公司的ＭＹ１Ｈ２５－４５０Ａ型无杆气缸ꎬ为提高气缸活塞的刚度和强度ꎬ气缸安装在步进电机驱动的拖板上ꎬ避免受力弯曲ꎻ竖直有杆气缸采用导向装置ꎬ提高承受横向载荷的能力ꎬ增强导向精度ꎮ

２㊀机械手驱动部件设计

机械手水平㊁垂直直线运动及吸附抓取工件采用气压驱动ꎬ以水平移动物品为例ꎬ手动阀启动ꎬ空气经空压机压缩ꎬ通过气动三联件过滤减压ꎬ此时压力继电器开始工作ꎬ右路二位五通电磁阀右线圈通电(左路电磁阀不通电ꎬ气体无法进入标准气缸ꎬ左路回路处于关闭状态)ꎬ减压阀调整气体压力ꎬ通过电磁阀进入快速排气阀ꎬ快速排气阀开启加快启动速度ꎬ气体进入无杆气缸ꎬ推动活塞向左运动ꎬ完成机械手伸展动作ꎮ当需机械手缩回时ꎬ二位五通电磁阀左线圈通电ꎬ推动活塞向右运动ꎮ机械手伸缩时ꎬ两个节流阀同时工作ꎬ调节气缸的运动速度ꎬ减少噪音ꎮ气压驱动回路如图２所示ꎮ

㊀㊀为提高机械手工作的精度ꎬ减小误差ꎬ在本次设计中采用步距角为１.８ʎ的二相混合式步进电机ꎮ工件和标准气缸的质量为１１.８１ｋｇꎬ导向装置的质量为

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机械研究与应用 ２０１９年第１期(第３２卷ꎬ总第１５９期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与开发

∗收稿日期:２０１９－０１－１１

作者简介:李永胜(１９７６－)ꎬ男ꎬ河南济源人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ研究方向:机械ＣＡＤ/ＣＡＭ集成研究ꎮ

０.６７ｋｇꎬ无杆气缸的质量为８ｋｇꎬ水平托板的质量为１.８２ｋｇꎮ

图２㊀气压驱动回路

由数据可得转动惯量Ｊ＝０.３８ｋｇ ｃｍ２ꎬ转矩Ｍ１＝１.３２Ｎ ｍꎻ即电机所承受的最大转矩为Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＝１.２５Ｍ１＝１.６５Ｎ ｍꎬ而保持转矩则为Ｍ３＝３Ｍ２＝０.７５Ｍ１＝０.９９Ｎ ｍꎬ由此选用森创公司的５６ＢＹＧ２５０ＤＫ－ＳＡＳＳＢＬ－０２４１步进电机及配套的ＳＤ－２０４０３驱动器ꎮ

３㊀ＰＬＣ控制系统设计

ＰＬＣ作为小型处理器ꎬ指令集丰富ꎬ操作简单ꎬ可扩展和抗干扰强ꎻＰＬＣ控制水平气缸伸缩㊁垂直气缸升降㊁真空发生器真空生成和破坏㊁步进电机的速度和方向ꎬ空行程快速移动等ꎬ输出端口至少需要８个ꎮ而输入端口包括启动㊁停止㊁按钮输入㊁手动开关输入等２２个输入点ꎮ根据输入输出点的个数ꎬ采用三菱公司的ＦＸ２Ｎ－４８ＭＲ型号的ＰＬＣꎮ机械手收缩㊁升降等动作的末端须设置限位开关ꎬ检测手臂动作是否到位ꎮ原理接线图如图３所示ꎮ

图３㊀ＰＬＣ接线图㊀㊀气动机械手的启动㊁复位和运动由ＰＬＣ程序实现ꎬ可实现手动㊁单动和自动３种工作模式ꎬ自动模式下机械手各部件按预定的顺序动作ꎮ一个运动周期如:启动－水平伸出－垂直下降－吸附工件－腰部旋转－卸下工件－竖直上升－水平缩回－回转－等待下次启动ꎮ机械手可根据实际情况修改程序ꎬ程序采用顺序梯形图编程方式ꎬ应用ＳＴＥＰ－７ＭｉｃｒｏＷＩＮ编译ꎬ包括回原点㊁手动单步和自动连续操作程序ꎬ回原点与自动操作程序采用步进顺序方式编程ꎮ手动单步程序摘录如图４所示

ꎮ

图４㊀手动单步程序

㊀㊀本文设计的机械手经加工㊁调试和组装ꎬ能够将工件准确地从Ａ工位移动到Ｂ工位ꎬ基本满足了加工生产线的需要ꎬ工作稳定性好ꎮ可根据生产节拍改变运动速度ꎬ灵活变更动作顺序ꎬ适应不同的工况ꎬ具有一定的柔性ꎻ真空吸盘尤其适合小型不规则板类工件的搬运ꎬ避免破坏工件已加工表面ꎻ整体采用模块化的设计ꎬ组装调试维修方便ꎬ提高了生产线的自动化程度ꎬ节约了人力和成本ꎮ

４㊀结㊀语

基于ＰＬＣ的控制方式对３自由度机械手的本体结构㊁动力驱动㊁控制系统进行了详细设计ꎬ该机械手运动灵活ꎬ有一定的可靠性ꎬ可手动或自动控制ꎬ可根据需要调整和改变驱动和控制单元ꎬ通用性和扩展性好ꎬ基本满足物料搬运的需要ꎻ但由于本体采用悬臂结构ꎬ强度和刚度较低ꎬ速度㊁位移可控性及系统柔性还有待提高ꎮ

参考文献:

[１]㊀陶湘厅ꎬ袁锐波.气动机械手的应用现状及发展前景[Ｊ].机床与液压ꎬ２００７(８):２２６－２２８.

[２]㊀洪㊀琳ꎬ孙㊀宇.多工位送料机械手的机构设计及电机同步控制[Ｊ].锻压技术ꎬ２０１８(６):８９－９３.

[３]㊀张忠雷ꎬ金振林.新型送料机械手及其工作空间分析[Ｊ].中国机械工程ꎬ２０１６(１３):１７４３－１７４７.

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设计与开发㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第１期(第３２卷ꎬ总第１５９期) 机械研究与应用