廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 林子皓 楊嘉明 李杰 賴偉杰 劉思莉

為解決紙質(zhì)報(bào)告的整理消耗人力的問(wèn)題，利用工業(yè)機(jī)器人操作專門的夾取執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)報(bào)告的搬運(yùn)工作。項(xiàng)目針對(duì)報(bào)告特性進(jìn)行夾取工藝與執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)夾取執(zhí)行器的控制：機(jī)械結(jié)構(gòu)使用多個(gè)非標(biāo)零件，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器連接機(jī)器人法蘭盤與執(zhí)行器整體裝配；使用兩組步進(jìn)電機(jī)單線導(dǎo)軌作為執(zhí)行器主體，利用真空吸盤抓取，以PLC 為夾取執(zhí)行器核心進(jìn)行驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器活動(dòng)與執(zhí)行器和機(jī)器人通訊，聯(lián)合PLC 與機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)程序設(shè)計(jì)完成相應(yīng)功能。

運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人代替人力來(lái)完成繁瑣且簡(jiǎn)單的物品整理工作[1]。近年來(lái)，隨著高校招生數(shù)量增長(zhǎng)，紙質(zhì)報(bào)告材料的數(shù)量增加，使這些紙質(zhì)報(bào)告成了老師們頭痛的問(wèn)題。為了代替人力完成紙質(zhì)報(bào)告的整理工作，工業(yè)機(jī)器人將使用夾具進(jìn)行紙質(zhì)報(bào)告的搬運(yùn)作業(yè)，針對(duì)紙質(zhì)報(bào)告的特性設(shè)計(jì)高精度夾具由工業(yè)機(jī)器人使用[2,3]，夾具模塊以PLC 為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，由機(jī)器人對(duì)PLC 進(jìn)行指令控制[4,5]，將大幅度地提高工作效率與降低人力成本，因此，機(jī)器人能夠很好地代替人力勞動(dòng)滿足整理大量報(bào)告的需求。

1 抓取工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目的作業(yè)對(duì)象來(lái)針對(duì)性地去設(shè)計(jì)抓取方式。項(xiàng)目現(xiàn)階段的作業(yè)對(duì)象為高校學(xué)生所產(chǎn)出的紙質(zhì)報(bào)告，報(bào)告的材料為紙質(zhì)，長(zhǎng)297mm，寬210mm，厚度為1 ～3mm，其定裝方式在報(bào)告的同一側(cè)使用訂書(shū)機(jī)進(jìn)行固定，如圖1 所示中的樣式2，擺放方式為疊加擺放如圖1所示中的樣式1。

圖1 報(bào)告堆疊與定裝Fig.1 Report stacking and fixing

項(xiàng)目采用吸盤的方式用于夾具與作業(yè)報(bào)告書(shū)進(jìn)行物理接觸，接觸位置為圖1 中報(bào)告裝訂一側(cè)，項(xiàng)目采用帶有彈簧緩沖裝置的小型吸盤，利用依靠真空吸力吸附零件進(jìn)行對(duì)目標(biāo)的抓取，操縱氣閥控制氣流的進(jìn)出達(dá)到工件的吸附和釋放。

由于報(bào)告的擺放方式為疊加擺放，且為當(dāng)邊訂裝，因此，在抓起方式的選擇上就難以以多個(gè)吸盤通過(guò)吸附報(bào)告整個(gè)平面的方式進(jìn)行固定與搬運(yùn)。在抓起的方式上我們選擇通過(guò)吸附報(bào)告訂合的這一個(gè)部分進(jìn)行抓起，同時(shí)設(shè)計(jì)可以對(duì)報(bào)告進(jìn)行盛放與收納的墊板，如圖2 所示，利用吸盤將報(bào)告吸起然后向著夾具內(nèi)部進(jìn)行拖拉收納的動(dòng)作，而在吸盤將報(bào)告向內(nèi)部收納的同時(shí)，工業(yè)機(jī)械臂將配合夾具的收納動(dòng)作，作出一個(gè)向前推送的動(dòng)作，使得報(bào)告保持在原本的位置，將報(bào)告收納進(jìn)在夾具墊板內(nèi)后，將其進(jìn)行搬運(yùn)，再以同樣的方式將其放置。

圖2 報(bào)告抓取示意Fig.2 Schematic diagram of report capture

2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于搬運(yùn)紙質(zhì)報(bào)告的工業(yè)機(jī)器人夾爪，總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括L 型連接塊法蘭盤（1）、L 型托盤連接塊（2）、承物板（3）、T 型連接塊（4）、真空吸盤安裝塊（5）、U 型連接塊（6）、單程絲桿滑軌（7）、單軸絲桿滑軌（8）。

圖3 夾具總結(jié)構(gòu)圖Fig.3 General structure diagram of fixture

工業(yè)機(jī)器人夾爪采用兩組長(zhǎng)度分別為的300mm 與150mm 單程絲桿滑軌作為末端執(zhí)行器夾具的主體，其裝配方式使用U 型連接塊（6）進(jìn)行銜接，單程絲桿滑軌（7）的移動(dòng)滑塊裝有U 型連接塊（6），所述U 型連接塊（6）同時(shí)與單軸絲桿滑軌（8）連接，如圖4 所示。

圖4 Y 軸絲桿零件裝配圖Fig.4 Assembly drawing of Y-axis screw rod parts

夾爪作為機(jī)械臂的末端執(zhí)行器，執(zhí)行器采用專門設(shè)計(jì)的L 型連接塊法蘭盤（1）裝配于機(jī)械臂第六軸末端，L 型連接塊法蘭盤（1）另一端連接單程絲桿滑軌（7），利用底部的凹槽，通過(guò)螺絲進(jìn)行安裝固定，同時(shí)所述的單程絲桿滑軌（7）的側(cè)面裝有L 型板連接塊（2），所述L 型板連接塊（2）與承物板（3）連接如圖4 所示。

T 型連接塊（4）通過(guò)螺絲裝配在單軸絲桿滑軌（8）的前端；T 型連接塊（4）的底部與真空吸盤安裝塊（5）連接；所述真空吸盤安裝塊（5）兩端將裝配兩個(gè)真空吸盤連接，中間設(shè)有豎立平面安裝紅外傳感器，如圖5所示。

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括西門子PLC 程序設(shè)計(jì)與ABB 工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目選擇的是西門子PLC 的型號(hào)是s7-1200,夾取執(zhí)行器邏輯程序的編寫以梯形圖形式進(jìn)行，使用SFC 的程序編寫邏輯，將整個(gè)自動(dòng)化程序分為五大部分，分別為：

（1）主副軸初始原點(diǎn)回歸；（2）運(yùn)動(dòng)指令等待區(qū)間；（3）復(fù)位程序；（4）抓取工件并收納程序；（5）放置工件程序。如圖6 所示為PLC 抓取程序流程。同時(shí)，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人配合PLC 抓取流程調(diào)用抓取位置與報(bào)告放置位置。

圖6 PLC 抓取程序流程Fig.6 PLC grab program flow

使用PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行脈沖控制，利用PLC 輸出端輸出脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制脈沖數(shù)來(lái)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)度數(shù)與速度，從而控制滑軌滑塊的移動(dòng)位置與移動(dòng)速度?？刂浦噶钜訮LC 輸入輸出IO 端口與工業(yè)機(jī)器人外置延展IO 端口進(jìn)行，輸入輸出各取3 個(gè)字節(jié)，以二進(jìn)制的方式，由工業(yè)機(jī)器人輸出十進(jìn)制信號(hào)指令，通過(guò)IO 口轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC 的IO 端。其中PLC 輸入端I2.0 為首位，I2.1 為第二位I2.2 為末尾;輸出端Q2.0 為首位，Q2.1 第二，Q2.2 為末位;當(dāng)機(jī)器人輸出十進(jìn)制信號(hào)1 時(shí)，PLC 接收到二進(jìn)制信號(hào)001。IO 分配標(biāo)如圖7所示。

圖7 西門子PLC I/O 分配表Fig.7 Siemens PLC I/O allocation table

工業(yè)機(jī)器人碼垛程序主要為運(yùn)行位置計(jì)算程序，通過(guò)分揀程序進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注好這個(gè)序號(hào)的文件屬于第幾組第幾號(hào)位置，再執(zhí)行抓取與放置程序?qū)ξ恢脭?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。運(yùn)行位置計(jì)算子程序如下：

PROC WZJS()

FOR A1 FROM 1 TO 3 DO

FOR B1 FROM 1 TO 50 DO

YLWZ{A1,B1} := offs(CS,0,347*(A1-1),B1);

ENDFOR

ENDFOR

FOR A1 FROM 4 TO 6 DO

FOR B1 FROM 1 TO 50 DO

YLWZ{A1,B1} := offs(CS,385,347*(A1-4),B1);

ENDFOR

ENDFOR

ENDPROC

運(yùn)動(dòng)位置程序在每一次執(zhí)行項(xiàng)目分揀程序前都將執(zhí)行一次生成所有目標(biāo)點(diǎn)位置姿態(tài)，本項(xiàng)目程序?qū)⒎譃?大組位置，以CS 即文件初始放置的待分揀區(qū)為第一組，而二組與第三組分別為以位置CS 為參照做y軸相對(duì)偏移的位置。

當(dāng)A1=1 時(shí)為第一組，即初始位置CS，此時(shí)x軸與y軸為初始位置不做偏移，但z軸根據(jù)B1 的重復(fù)逐漸遞增，對(duì)應(yīng)著同一個(gè)位置逐漸堆疊的文件高度；當(dāng)A1=2 時(shí)為第二組，以位置CS 為參照做y相對(duì)偏移347mm，z軸同樣原理；當(dāng)A1=3 時(shí)為第三組，y相對(duì)偏移347×2mm。當(dāng)A1=5 或6 時(shí)y軸做同樣原理的相對(duì)偏移，但A1 ≥4時(shí)x軸以位置CS 為參照相對(duì)偏移385mm。每一次位置生成后對(duì)應(yīng)生成位置時(shí)A1 與B1 的數(shù)值，將位置存儲(chǔ)到相應(yīng)的YLWZ{A1,B1}記憶位置。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)機(jī)器人紙質(zhì)報(bào)告整理作業(yè)項(xiàng)目中，針對(duì)紙質(zhì)報(bào)告的特性設(shè)計(jì)夾爪，達(dá)到能抓取紙質(zhì)報(bào)告的效果。對(duì)夾爪和工業(yè)機(jī)器人的信號(hào)通訊進(jìn)行調(diào)試使工業(yè)機(jī)器人能夠控制夾爪抓取報(bào)告并對(duì)其進(jìn)行搬運(yùn)，本項(xiàng)目可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)和對(duì)報(bào)告進(jìn)行抓取的工作中，實(shí)現(xiàn)解放人力勞動(dòng)與高效排序整合。

引用

[1] 張洪森,趙玉紅,劉添,等.ABB工業(yè)機(jī)器人碼垛實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2019,32(12):62-63.

[2] 司震鵬,曹西京.機(jī)器人氣動(dòng)手爪的設(shè)計(jì)與研究[J].液壓與氣動(dòng),2009(9):28-30.

[3] 張艷朋,胡建,葛麗敏,等.一種鉛錠搬運(yùn)機(jī)器人真空吸附夾具的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓,2016,44(05):142-145.

[4] 江華生,李鳴,高素萍,等.基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2006(10):54-56+65.

[5] 黃崢,古鵬.基于S7系列PLC通訊方式與設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2010,39(6):45-48+166.