周益鋒

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

隨著現(xiàn)代制造工藝技術(shù)的日臻成熟，沖壓加工技術(shù)變得越來(lái)越智能化、高效化，大范圍取代了傳統(tǒng)人工操作模式[1]。無(wú)論是專機(jī)處理，還是人工上下料等傳統(tǒng)加工處理模式，都存在著效率低下、安全隱患大等問(wèn)題。為減少資金浪費(fèi)、提高資金利用水平，促進(jìn)沖壓生產(chǎn)高效高質(zhì)地穩(wěn)步推進(jìn)，建議打造先進(jìn)強(qiáng)大的沖壓自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線，抑或是引入操作便捷、性能可靠的通用搬運(yùn)系統(tǒng)，譬如，引入智能高效的工業(yè)機(jī)械設(shè)備，全面取代傳統(tǒng)的人工上下料模式[2，3]。本文在參考他人相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[4，5]，結(jié)合鈑金機(jī)箱沖壓加工機(jī)制，自主設(shè)計(jì)了中小型擺臂式伺服機(jī)械手，它既適用于沖壓自動(dòng)化加工環(huán)境，也可以靈活合理地應(yīng)用于其他機(jī)械制造業(yè)。

1 機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)

為滿足各類生產(chǎn)工藝需求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取合適的運(yùn)動(dòng)形式及結(jié)構(gòu)。關(guān)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式，應(yīng)在綜合考慮沖壓要求、結(jié)構(gòu)樣式等各方面因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理確定。本文在進(jìn)行深入細(xì)致分析后決定選取圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手，其原因一是場(chǎng)地適應(yīng)性好，二是其工作范圍非常適合于上下料環(huán)節(jié)。關(guān)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案，本文初步確定了四個(gè)自由度：腰部擺動(dòng)及升降、主體、手臂伸縮、手腕回轉(zhuǎn)。該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

在實(shí)踐中，機(jī)械手周期性運(yùn)行，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)有其特定的姿態(tài)及位置，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有助于保持并增強(qiáng)機(jī)械手的運(yùn)作穩(wěn)定性。它在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需轉(zhuǎn)換壓力能，能夠?qū)⒏嗄芰靠焖倬珳?zhǔn)地傳遞至執(zhí)行部件上，電機(jī)系統(tǒng)高度集成，編碼器能夠?qū)C(jī)械手的運(yùn)行位置、運(yùn)行速度等相關(guān)信息實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地傳輸至控制器，借助計(jì)算機(jī)控制的方式保證機(jī)械手穩(wěn)定高效地運(yùn)行。本文擬設(shè)計(jì)高精度類中小機(jī)械手，在全面對(duì)比和認(rèn)真分析后決定通過(guò)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)沖床機(jī)械手。

2.2 機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

（1）機(jī)身升降傳動(dòng)方案。在機(jī)械手中，升降部位尤為重要，它是上端伸縮臂與基座之間穩(wěn)定連接的重要紐帶，其作用機(jī)制是依托交流伺服電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行促進(jìn)主同步輪一并轉(zhuǎn)動(dòng)，利用同步帶傳遞至與絲杠軸相連的同步輪，由此使得螺母保持直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）伸縮臂傳動(dòng)方案。伸縮臂伸縮是一個(gè)相對(duì)概念，即副臂相對(duì)主臂進(jìn)行伸出和縮回，在本設(shè)計(jì)中，機(jī)械手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)制并不復(fù)雜，首先是通過(guò)電機(jī)啟動(dòng)并運(yùn)行的方式，利用同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，促進(jìn)絲杠軸相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母帶動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)，這樣副臂就會(huì)在主臂上移動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)手臂伸縮。

（3）回轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)方案。手腕腕部是否運(yùn)行靈活直接關(guān)系到機(jī)械手的運(yùn)行效率和質(zhì)量，它主要指的是端拾器的回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)部位。鑒于機(jī)械手手臂不僅需要具有一定的剛度和強(qiáng)度，也需要保證回轉(zhuǎn)自由，同時(shí)還有保持良好的承載性，本文決定采用推力球軸承。

基于以上分析，本文確定了如圖2 所示的機(jī)械手整體傳動(dòng)方案。

圖2 機(jī)械手整體傳動(dòng)方案原理圖

3 機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在沖壓加工環(huán)節(jié)，機(jī)械手的主要任務(wù)是上下料，其材料特性直接決定它既適應(yīng)高溫環(huán)境，也不會(huì)面臨著被腐蝕的危險(xiǎn)。由此可知，本機(jī)械手腕部能夠根據(jù)常規(guī)組作業(yè)環(huán)境的要求設(shè)計(jì)和完善。本機(jī)械手在運(yùn)行過(guò)程中，以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)力，利用同步帶帶動(dòng)回轉(zhuǎn)部位轉(zhuǎn)動(dòng)，鑒于伺服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中釋放并傳遞低速、高回轉(zhuǎn)力矩，建議在伺服電機(jī)輸出端的合適位置安裝減速機(jī)。另外，由于腕部?jī)H只有一個(gè)自由度，為保證同步帶傳動(dòng)達(dá)到中心距要求，應(yīng)在電機(jī)一端安裝調(diào)節(jié)螺栓。腕部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 手腕回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

由圖3 可了解到，機(jī)械手的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)集中于副臂末端位置，回轉(zhuǎn)軸承位于軸承座上。但是需要注意到，軸承座裝設(shè)于副臂處，在主關(guān)節(jié)上可根據(jù)實(shí)際要求規(guī)范合理地配置吸盤(pán)端拾器主軸，在電機(jī)帶動(dòng)同步帶運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩會(huì)調(diào)整為手部端拾器的回轉(zhuǎn)。

3.2 臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手手臂主要由主臂電機(jī)箱、副臂電機(jī)箱、滑動(dòng)裝置等構(gòu)成。其中，主電機(jī)箱中安裝了伺服電機(jī)；主副臂的制成材料為KBM系列鋁合金型材，其典型特征是強(qiáng)大度、質(zhì)量小、剛度大。主臂兩端安裝EGH15CA 型滑動(dòng)導(dǎo)軌，內(nèi)部配置了穩(wěn)定可靠的絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，并且此結(jié)構(gòu)上端與滑臺(tái)相連，同時(shí)，滑臺(tái)兩端均配置了尺寸合適、重量適宜的EGH15CA系列滑塊，在滑臺(tái)上配置副臂的主要目的是促其便捷靈活地前后伸縮；為保證傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性，本文采用了電機(jī)立式布置方式。臂部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.3 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械手中，腰部主要由滑動(dòng)、傳動(dòng)等多種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其傳動(dòng)機(jī)制與臂部大同小異，均是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，依托同步輪帶動(dòng)絲杠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，由此令滑臺(tái)不斷滑動(dòng)，導(dǎo)軌兩端有防撞擋塊，從而實(shí)現(xiàn)腰部的上下伸縮，不過(guò)需要注意一點(diǎn)，電機(jī)必須帶制動(dòng)。無(wú)論是腰部支撐臂，還是腰筒等，均需要采用質(zhì)地精良的KBM系列鋁合金，而緩沖塊則選取韌性比較強(qiáng)的WS 系列銅合金。另外，腰部回轉(zhuǎn)電機(jī)需要被靈活合理地裝設(shè)于腰筒內(nèi)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能夠起到固定手臂的作用；腰部支撐臂兩端皆安裝導(dǎo)軌，便于滑臺(tái)順暢靈活地滑動(dòng)，另外在滑臺(tái)上下配置尺寸適宜的防撞緩沖塊。腰部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)械手控制方案

機(jī)械手控制屬于典型的運(yùn)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般有兩種：一種是步進(jìn)電機(jī)，另一種則是伺服電機(jī)。目前，交流伺服電機(jī)的應(yīng)用比較普遍，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)增設(shè)控制器等相關(guān)部件。在機(jī)械手中，控制器尤為重要，相當(dāng)于“大腦”，在實(shí)踐中，可選取PLC 等控制裝置。

本機(jī)械手的控制機(jī)制如下：將PLC 確立為核心控制器，結(jié)合信號(hào)傳輸要求，決定有無(wú)必要配置擴(kuò)展模塊；該控制系統(tǒng)可粗略地分為兩項(xiàng)：一是伺服機(jī)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，控制器可利用總線等實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化調(diào)控，驅(qū)動(dòng)器在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)控制電機(jī)，編碼器能夠?qū)⑽恢眯盘?hào)等相關(guān)信息便捷高效地傳輸至驅(qū)動(dòng)器，此機(jī)械手由4 個(gè)自由度構(gòu)成，而這即意味著它們共用4 個(gè)伺服系統(tǒng)；二是氣動(dòng)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，主要通過(guò)PLC 完成對(duì)電磁換向閥運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控，由此控制對(duì)吸盤(pán)吸合狀態(tài)的實(shí)時(shí)化控制。另外，本機(jī)械手采用了操作便捷、精度高的觸摸屏，由此完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)控，同時(shí)為人機(jī)交互提供可靠支持，觸摸屏在實(shí)際使用中能夠利用RS232/RS485 通信端口穩(wěn)定有效地連接PLC。此機(jī)械手具有報(bào)警功能，一旦工作錯(cuò)誤，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，關(guān)于本機(jī)械手的硬件控制機(jī)制如圖6 所示。

圖6 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件原理圖

4.2 伺服系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

作為控制伺服電機(jī)的一類裝置，伺服驅(qū)動(dòng)器的作用機(jī)制并不復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)講是引入并運(yùn)用了數(shù)字信號(hào)處理器，借助相關(guān)控制算法對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行高效精準(zhǔn)控制；在驅(qū)動(dòng)電路中，內(nèi)部功率驅(qū)動(dòng)單元能夠自動(dòng)對(duì)其接收到的三相電進(jìn)行規(guī)范快速地三相全橋整流處理，再利用PWM電壓逆變器變頻完成對(duì)交流伺服電機(jī)的精準(zhǔn)化、高效化、實(shí)時(shí)化控制。由于各軸的伺服電機(jī)功率存在一定差異，所以，它們配置的伺服驅(qū)動(dòng)器存在較大差別。其中，機(jī)械手機(jī)身的升高與降低通過(guò)750W 伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，腰部旋轉(zhuǎn)動(dòng)作亦通過(guò)此功率的伺服驅(qū)動(dòng)器完成，副臂伸縮則采用400W 型，腕部回轉(zhuǎn)采用200W。以上伺服器均為MR-J3B 系列，并且皆配置了統(tǒng)一的SSCNETIII 通訊總線接口。關(guān)于腰部旋轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器的接線情況如圖7 所示。

圖7 腰部旋轉(zhuǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器接線回路圖

5 結(jié)語(yǔ)

沖床上下料機(jī)械手主要適用于運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)作簡(jiǎn)單、速度及位置運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)高的沖壓加工產(chǎn)業(yè)。本文將目光聚焦于機(jī)械手，首先提供了一套科學(xué)合理的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其次對(duì)其伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致研究，并對(duì)該系統(tǒng)各主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善且操作便捷，引入了觸摸屏控制模式，同時(shí)嵌入PLC 程序，可有效減少傳感器配置數(shù)量，有助于減少投入，節(jié)約成本。