梁 鋒

(廣東中恒安檢測評價有限公司，廣東 惠州 516000)

自動化生產(chǎn)線中的搬運機(jī)械手在工作過程中具有性能穩(wěn)定、操作簡便、靈活性高的優(yōu)勢，且能夠適應(yīng)高強(qiáng)度工作的要求，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、食品和設(shè)備加工等領(lǐng)域。目前，很多學(xué)者對自動化機(jī)械領(lǐng)域中的機(jī)械手進(jìn)行了相關(guān)的研究[1]。文獻(xiàn)[2]基于工業(yè)以太網(wǎng)對搬運生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，采用Simulink對機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并控制其抓取精度，該方案抓取精度較高，但未考慮機(jī)械手定位精度；文獻(xiàn)[3]提出了基于PLC控制變速器的搬運機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案通過PLC技術(shù)控制機(jī)械手，能夠提高機(jī)械手定位精度，但未考慮機(jī)械手抓取精度。

本文提出了針對產(chǎn)品目標(biāo)高精度拾取的自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手設(shè)計方案。設(shè)計了直角坐標(biāo)式機(jī)械手，在機(jī)械手末端處設(shè)置一個氣缸來實現(xiàn)其手臂的伸縮，采用電機(jī)作為機(jī)械手的動力來源，通過設(shè)置電機(jī)和氣缸的控制參數(shù)，控制機(jī)械手在不同方向上的運動；通過計算吸盤直徑，獲得吸盤拾取控制參數(shù)；設(shè)置線性滑軌來控制機(jī)械手的定位精度；在NX MCD平臺支持下，完成機(jī)械手拾取精度優(yōu)化設(shè)計。

1 自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手工作原理

自動化生產(chǎn)線上的加工對象由一臺機(jī)床自動傳送到另一臺機(jī)床，并由機(jī)床自動進(jìn)行加工、裝卸、檢驗等，所有的機(jī)器設(shè)備都按統(tǒng)一的節(jié)拍運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過程高度連續(xù)。自動化生產(chǎn)線搬運過程中應(yīng)用到的主要設(shè)備包括機(jī)械手和檢測柜，搬運機(jī)械手作業(yè)原理如圖1所示。

圖1 自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手作業(yè)原理圖

由圖1可知，機(jī)械手主要安置在自動化生產(chǎn)線的兩端。安置在左端的機(jī)械手其作用是自動拾取自動化生產(chǎn)線上的產(chǎn)品并放置在檢測柜中；安置在右端的機(jī)械手其作用是將檢測柜中的產(chǎn)品取出，自動放到生產(chǎn)線上[4]。檢測柜包含多層框架和產(chǎn)品檢測儀，產(chǎn)品檢測儀能夠通過生產(chǎn)線對傳送過來的產(chǎn)品進(jìn)行檢測，而多層框架能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行快速檢測，以此提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品自動拾取精度是影響生產(chǎn)線工作效率最主要的因素，為提高生產(chǎn)線工作效率，設(shè)計了高精度搬運機(jī)械手[5]。

2 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手是一種直角坐標(biāo)式機(jī)械手，通過伸縮式手臂的升降與移動，自動搬運生產(chǎn)線上的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)人工搬運方式相比，節(jié)省了人力物力，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率[6]。

2.1 機(jī)械手元件選型

1)氣缸選型。根據(jù)機(jī)械手的尺寸與質(zhì)量，選擇SC系列標(biāo)準(zhǔn)氣缸，該氣缸主要是由活塞桿一端提供氣流，產(chǎn)生氣壓，氣壓推動彈簧不斷沖擊和回彈，讓勢能轉(zhuǎn)化成動能，使機(jī)械手工作[7]。使用隔膜泵代替隔膜活塞，雖然輸出力只有一個方向，但密封性能較好，使氣缸的擺動幅度不超過280°。氣缸的內(nèi)隔膜擺動幅度可通過計算質(zhì)量與擺動慣性之間的關(guān)系，得到擺動幅度控制函數(shù)f(x)為：

(1)

式中：Ni為活塞推力；m為機(jī)械手質(zhì)量；g為重力加速度；L為機(jī)械手長度。通過式(1)獲取幅度控制函數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果確定氣缸型號。

2)氣動元器件選型。自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手使用的是末端執(zhí)行的方式，在末端裝置控制回路中氣動元器件的名稱、型號見表1。

表1 氣動元器件型號

3)電器元件選型。依據(jù)機(jī)械手在執(zhí)行操作過程中各個部位以及傳輸過程所需的實際扭矩，確定電器元件，見表2。

表2 電器元件型號選擇

2.2 直角坐標(biāo)式機(jī)械手定位精度控制

直角坐標(biāo)式機(jī)械手主要由支架、移動臂、升降臂、末端吸盤以及發(fā)電機(jī)組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

機(jī)械手的Y軸移動臂工作是依靠傳送帶實現(xiàn)的(圖1)，其兩側(cè)分別安裝了導(dǎo)軌、齒輪和支架，通過固定底座，能夠保持產(chǎn)品與機(jī)械手的相對位置固定。齒輪在伺服電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，產(chǎn)品在傳送帶上開始傳輸，通過產(chǎn)品追溯計算方法，獲取產(chǎn)品傳輸距離，由此完成Y軸方向上前進(jìn)與后退的參數(shù)設(shè)定，其Y軸位移計算式為[8]：

Sa=Tsvs

(2)

式中：Sa為Y軸位移；Ts為伺服電機(jī)運行時間；vs為傳送帶傳輸速度。根據(jù)產(chǎn)品傳送距離，確定滑塊具體移動位置坐標(biāo)，以此實現(xiàn)對產(chǎn)品的精準(zhǔn)控制與定位。同理，X，Z軸移動臂的傳送機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，電機(jī)經(jīng)過精準(zhǔn)測量滑塊位置后，分別從X，Z軸兩個方向?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行前后、升降動作的精準(zhǔn)控制[9]。其中X軸前后動作的控制系數(shù)X為：

(3)

式中：Ax為X軸的動作運行效率；ei為操作板信息控制參量；Tx為X軸的運行時隙數(shù)。

Z軸的升降動作控制系數(shù)Z為：

(4)

式中：Az為Z軸動作運行效率；Tz為Z軸的運行時隙數(shù)。設(shè)置一條線性滑軌，使機(jī)械手在傳送帶與支架之間進(jìn)行直線運動，由于機(jī)械手在傳送貨品時的承重較大，因此需要線性滑軌承擔(dān)一部分扭矩，以此保障在高負(fù)載情況下機(jī)械手平穩(wěn)無抖動運行[10]。

機(jī)械手末端吸盤臂的主要作用是將產(chǎn)品吸附后放在傳送帶上，機(jī)械手的吸盤臂是由鋁合金材料制作而成，該材料的特殊性保證了吸盤臂具有較高的剛度，同時使整個機(jī)械手的質(zhì)量較小[11-12]。機(jī)械手的吸盤臂是通過氣缸進(jìn)行驅(qū)動的，除了能夠節(jié)省大量成本外，還能有效減少能量損失。

3 基于NX MCD的機(jī)械手拾取精度控制

為改善傳統(tǒng)機(jī)械手機(jī)電一體化的模式，本文采用NX MCD平臺設(shè)計自動化生產(chǎn)線機(jī)械手，自動化生產(chǎn)線左側(cè)的搬運機(jī)械手將產(chǎn)品由左側(cè)傳送帶傳送到檢測柜之中，右側(cè)的機(jī)械手從右側(cè)傳送帶中拾取產(chǎn)品，輸送到下一道工序。

自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手拾取工作流程如圖3所示。

圖3 自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手拾取工作流程

機(jī)械手拾取產(chǎn)品時：1)當(dāng)機(jī)械手向橫縱兩個方向移動時，橫軸方向依靠滾珠絲杠實現(xiàn)操作，而縱軸方向依靠導(dǎo)軌系統(tǒng)來實現(xiàn)，通過PLC提供脈沖，以此來控制伺服電機(jī)的運動； 2)在機(jī)械手操作過程中，應(yīng)注重控制變頻速度，方便控制機(jī)械臂升降、前后移動；3)整個機(jī)械手在操作過程中，可通過自動循環(huán)和手動操作兩種方式完成，其中自動循環(huán)只要按下按鈕，機(jī)械手就會按照預(yù)先設(shè)定的方式連續(xù)完成搬運工作，而手動操作需利用機(jī)械臂末端吸盤進(jìn)行吸附，通過控制X，Y，Z軸使不同方向的機(jī)械臂完成升降以及前后移動操作；4)當(dāng)機(jī)械臂末端吸盤工作時，需計算末端吸盤力。當(dāng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時，應(yīng)安裝1個吸盤，該吸盤的直徑D應(yīng)滿足：

(5)

式中：k為機(jī)械手工作時的安全系數(shù)；n為吸盤數(shù)量，這里n=1；P為吸盤真空壓強(qiáng)。

在NX MCD平臺上設(shè)置不同產(chǎn)品的傳送距離，并通過簡單函數(shù)進(jìn)行計算，可確定不同產(chǎn)品與機(jī)械手之間的位置關(guān)系。在NX MCD平臺下，需將待測量的產(chǎn)品抽象成為一個類，并將其轉(zhuǎn)化為存儲對象，存儲在機(jī)械手結(jié)構(gòu)之中。自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手實際應(yīng)用如圖4所示。

圖4 實際應(yīng)用圖

在實際操作過程中，可通過查詢相關(guān)信息，計算出當(dāng)前產(chǎn)品位置，為機(jī)械手自動拾取提供精準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)，以便提高工作效率。

4 實驗

為了驗證基于NX MCD平臺的自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手設(shè)計(吸盤式機(jī)械手)的合理性，需要先確定被搬運的產(chǎn)品所能承受的最大吸力，以便搬運機(jī)械手在工作過程中設(shè)置合理的吸盤吸力，保證對產(chǎn)品施加的吸力是產(chǎn)品所能承受的，避免在拾取過程中對產(chǎn)品造成破壞。

4.1 實驗平臺選擇

在進(jìn)行實驗之前，需先選擇實驗平臺，保證機(jī)械手熟練拾撿工作。實驗選擇由20個工人同時控制機(jī)床，同時按下機(jī)床開始按鈕，保證機(jī)床傳送帶同時開始傳輸產(chǎn)品。實驗平臺按照J(rèn)B/T 7974—1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，選用的箱體式材料有HT200-300、QT400-600、ZG15-45。通過刮制和研磨，實現(xiàn)4 000～8 000 nm平板拼接，以此檢驗組件平面度。實驗平臺選擇的材質(zhì)為高強(qiáng)度鑄鐵HT200-300，硬度為HB170～HB240，經(jīng)過人工處理后自然壽命為2～3 a。

該平臺還配置了伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，在可編程控制器約束下，對機(jī)械手撿取產(chǎn)品的位置精準(zhǔn)度進(jìn)行驗證分析。

4.2 實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在上述實驗平臺上，將不同產(chǎn)品放置在不同位置，采用所提方法對其定位，根據(jù)不同產(chǎn)品在機(jī)械手程序中設(shè)置了不同抓取搬運時間與傳送距離，見表3。

表3 3種產(chǎn)品不同時間點位置數(shù)據(jù)

4.3 實驗結(jié)果與分析

為驗證機(jī)械手定位分揀精度，基于上述實驗數(shù)據(jù)將產(chǎn)品1，2，3分別放在不同位置，采用文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]方法設(shè)計的機(jī)械手與本文方法設(shè)計的機(jī)械手，觀察機(jī)械手位置與產(chǎn)品實際位置的擬合度，對拾取產(chǎn)品的精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，本文設(shè)計的機(jī)械手拾取精度較傳統(tǒng)機(jī)械手有很大提高，將其用于實際生產(chǎn)中，能夠有效提高生產(chǎn)線工作效率。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了產(chǎn)品目標(biāo)高精度拾取的自動化生產(chǎn)線搬運機(jī)械手，通過對氣缸、伺服電機(jī)、驅(qū)動器的選擇以及末端吸盤力的計算，得到了最優(yōu)吸盤控制參數(shù)，解決了吸盤的氣密性問題；采用線性滑軌承擔(dān)吸盤臂的一部分扭矩，能保證在高負(fù)載情況下機(jī)械手平穩(wěn)無抖動運行。實驗結(jié)果表明，該機(jī)械手拾取精準(zhǔn)度高，能夠提高工作效率，有效降低成本，滿足企業(yè)工作需求。

圖5 3種方法拾取精準(zhǔn)度對比

雖然本文設(shè)計的機(jī)械手在精準(zhǔn)拾取產(chǎn)品方面具有優(yōu)勢，但在實踐應(yīng)用方面尚有不足，今后將加強(qiáng)對機(jī)械手在實際應(yīng)用中的研究。