周 鵬

(漢江師范學院汽車與電子工程系，湖北 十堰 442700)

自動化生產(chǎn)線是制造業(yè)大批量生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是減少制造成本、提高生產(chǎn)效率的手段。機械手能夠在危險性大、環(huán)境惡劣的場所取代人手完成重復(fù)性高的分揀、搬運、裝卸等工作，已經(jīng)成為機械零件制造及裝配生產(chǎn)線上必備的單元[1-4]。采用機械傳動的機械手，具有定位精度高、維護簡單的特點，但是工作對象發(fā)生變化或者工藝調(diào)整后，機械式機械手就要重新設(shè)計；采用液壓傳動的機械手，具有輸出力大、響應(yīng)速度快的特點，但是技術(shù)要求高，維護復(fù)雜，一般用于重量較大的鍛壓件或鑄造件的搬運；電氣傳動機械手具有定位精度高、相應(yīng)速度快的特點[5]，但技術(shù)要求和成本都較高[6]；氣動機械手以壓縮空氣為介質(zhì)實現(xiàn)能量的傳遞，具有成本低、流動阻力小、動作迅速、環(huán)境污染小等特點，但氣體的壓縮比較大，氣動機械手的定位精度較低。雙爪機械手結(jié)合電氣傳動機械手和氣動機械手的優(yōu)點，應(yīng)用在沖壓生產(chǎn)線上，可有效提高上料精度和生產(chǎn)效率。

1 雙爪機械手的總體設(shè)計

在沖壓生產(chǎn)線上，機械手要把板料送到?jīng)_壓工作臺上，完成沖壓工序后，再把沖壓件搬運到下一個工位或輸送帶上。板料沖壓機床的沖壓周期短，運行速度快，機械手需要快速完成上料和下料的工作。為了提高生產(chǎn)效率、減少沖床等待的時間，設(shè)計了雙手爪的上下料機械手，工作原理如圖1所示。

雙爪機械手的手臂上帶有兩個手爪(上料手爪和下料手爪)，隨手臂一起運動。沖壓完成后，手臂水平左移，到達取料點時，兩個手爪均伸出后手臂下降，上料手爪上的真空吸盤吸緊薄板料，下料手爪的真空吸盤吸緊沖壓件，手臂上升后兩個手爪都縮回，手臂水平右移，到達放料點后，兩個手爪都伸出，手臂下降，上料手爪把薄板料放置沖床工作臺上，下料手爪把沖壓件放在輸送帶上，輸送帶啟動，把沖壓件送到下一工位，同時手臂上升，兩個手爪都縮回后，手臂水平左移到工作原點，沖床啟動，開始沖壓工作。

從系統(tǒng)運行過程可知：上料手爪需要把板料準確放在沖床工作臺上，位置精度要求非常準確。除了手爪上真空吸盤的取、放料動作，手爪在工作中還有3個自由度，分別是手臂的水平移動和升降、手爪的伸縮。手臂的水平移動需要有3個固定的位置點：工作原點(上料手爪和下料手爪分別位于沖床兩側(cè))，取料點(上料手爪取薄板坯料，下料手爪取沖床工作臺上的沖壓件)，放料點(上料手爪把薄板坯料放在工作臺上，下料手爪把沖壓件放在輸送帶上)；手爪的伸縮和手臂的升降都是兩個固定的位置點。

2 雙爪機械手的傳動設(shè)計

手爪的伸縮和手臂的升降都是在運行方向上有兩個固定點的直線移動，采用氣缸驅(qū)動，活塞桿完全伸出或縮回的位置是固定的，并且缸體兩端裝有接近開關(guān)，能保證動作位置的精確度。

手臂的水平移動有3個位置點，并且準確度要求較高，機械傳動和氣壓傳動均不能實現(xiàn)，所以采用能實現(xiàn)多點運動位置要求的電氣傳動方式，步進電動機轉(zhuǎn)動精確度高(步距角為0.9°或1.8°)，通過同步帶(齒形帶)把步進電動機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動，實現(xiàn)手臂水平位移的準確性。

手爪運動到設(shè)定位置后，對薄板坯料(或沖壓件)的抓取和投放，均由氣動真空吸盤來實現(xiàn)，真空吸盤固定在爪盤上，爪盤上均勻分布寬為13 mm的槽，根據(jù)薄板坯料的形狀，可以調(diào)整吸盤的位置和數(shù)量。吸盤手爪的三維模型如圖2所示。

3 雙爪機械手控制設(shè)計

3.1 氣壓傳動設(shè)計

雙爪機械手手爪的伸縮(上料手爪和下料手爪)、手臂的升降等動作由氣缸來實現(xiàn)，氣缸的兩端都內(nèi)置有磁環(huán)，配合氣缸體外安裝的磁性開關(guān)，能夠準確檢測氣缸活塞的位置。氣動工作原理如圖3所示。由于氣體的壓縮比大，氣缸在工作中只有完全伸出和縮回兩個位置才是固定的，所以采用二位四通的電磁閥控制氣缸的動作。真空發(fā)生器是利用正壓氣源產(chǎn)生負壓的一種器件，由電磁開關(guān)閥控制產(chǎn)生真空(負壓)。

3.2 電氣控制設(shè)計

電氣控制以西門子S7-200 PLC為核心，完成對雙爪機械手的控制，接近開關(guān)、限位開關(guān)、按鈕等信號直接送給PLC，人機界面是人和機器的信息交換窗口，可以把機械手的工作狀態(tài)顯示出來，例如所搬運的沖壓件數(shù)量，操作人員還可以根據(jù)需要改變機械手的運行參數(shù)。上料后機械手回到工作原點位置，沖床才能開始沖壓；沖壓工藝完成后，機械手才能夠開始取件和上料的工作。上下料機械手的控制系統(tǒng)作為沖床控制系統(tǒng)的從站，通過PPI電纜通信，避免干擾和碰撞。PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。

氣動系統(tǒng)的電磁閥采用AC 220 V供電，而西門子PLC數(shù)字輸出端口電壓為DC 24 V，功率只有0.75 W，不足以驅(qū)動AC220 V的電磁閥，需要通過中間繼電器和直流接觸器進行信號轉(zhuǎn)換，如圖5所示。PLC的高速脈沖端口和數(shù)字端口控制步進電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。輸送帶的運行由三相異步電動機帶動，PLC的數(shù)字輸出端口控制變頻器的輸出頻率改變電動機的轉(zhuǎn)速。

雙爪機械手系統(tǒng)有12個數(shù)字量輸入端口，10個數(shù)字量輸出端口和1個高速脈沖量輸出端口，控制器選用西門子S7-200系列(CPU226)PLC作為控制核心，端口分配如表1。

雙爪機械手的動作是由3個氣缸、2個真空吸盤和1臺步進電動機完成，程序設(shè)計是根據(jù)雙爪機械手動作的時序圖來完成，用梯形圖編制控制程序，方便、直觀，還可以在線監(jiān)控程序的運行狀態(tài)。西門子PLC中的運動控制功能，能控制高速脈沖的輸出數(shù)量和頻率，完成位移和速度的調(diào)節(jié)[7]。

4 機械手的調(diào)試

為實現(xiàn)機械手動作的完整性，在設(shè)計好外圍電路和程序后，需要對機械手進行調(diào)試，調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。外圍電路調(diào)試屬于硬件調(diào)試，主要是線路的搭接，保證傳感器檢測的數(shù)字量信號都能送給PLC控制器，PLC輸出數(shù)字量信號后，機械手上的氣缸和信號燈等元件能完成相應(yīng)的動作。程序調(diào)試屬于軟件調(diào)試，主要是正確實現(xiàn)程序功能。雙爪機械手PLC程序的調(diào)試采用在線編程調(diào)試，V4.0 STEP7 Micro WIN SP3軟件中的程序監(jiān)控功能能夠方便地檢測到程序的運行狀態(tài)[8]。

表1 PLC輸入輸出端口分配

輸入輸出功能名稱端口功能名稱端口復(fù)位I0.0步進電機脈沖Q0.0啟動I0.1步進電機方向Q0.1緊急停止I0.2手臂上升Q0.2手臂原點I0.3上料手臂伸出Q0.3手臂左限位I0.4下料手臂伸出Q0.4手臂右限位I0.5上料吸盤Q0.5上料手爪伸出I0.6下料吸盤Q0.6上料手爪縮回I0.7紅色信號燈Q0.7下料手爪伸出I1.0綠色信號燈Q1.0下料手爪縮回I1.1黃色信號燈Q1.1手臂上升I1.2蜂鳴器Q1.2手臂下降I1.3

與傳統(tǒng)單手爪搬運機械手相比，雙爪機械手的運行效率更高，完成5件沖壓件的上下料工作后，單手爪搬運機械手只能完成3件沖壓件的上下料，在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用之后能有效提高工作效率。

5 結(jié)語

雙爪機械手是集機械、電氣控制、PLC、氣壓傳動為一體的機電一體化設(shè)備。采用運動功能實現(xiàn)步進電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的控制，能準確完成機械手手臂在沖床給定位置上的運動。人機界面能夠?qū)崟r顯示機械手的運行狀態(tài)和搬運的數(shù)量，并且根據(jù)需求設(shè)定搬運沖壓件的數(shù)量及其他運行參數(shù)。雙爪機械手搬運速度快，并能隨時改變吸盤在爪盤上的位置，完成不同形狀沖壓件的搬運工作，在沖壓生產(chǎn)線上應(yīng)用之后能提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動化水平。