黃 爽

（臺州開放大學(xué)，臺州 318000）

在現(xiàn)代制造業(yè)高速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，而且需要消耗大量人力成本，已經(jīng)無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。機(jī)械手是一種能夠自動(dòng)化定位控制并根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行編程的多功能設(shè)備。它在現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮著十分重要的作用，不僅能夠提高作業(yè)效率，而且能夠降低生產(chǎn)成本。在機(jī)電一體化的發(fā)展背景下，工業(yè)機(jī)械手得到了廣泛應(yīng)用。大部分企業(yè)用機(jī)械手代替人工勞作，在提高搬運(yùn)效率的同時(shí)降低人工成本。此外，工業(yè)機(jī)械手不僅可以代替人工完成較為危險(xiǎn)和復(fù)雜的工作，如搬運(yùn)危險(xiǎn)化學(xué)品等，還可以在高溫、高壓和高輻射等環(huán)境下作業(yè)，以保障人員安全。

1 機(jī)械手的工作原理和分類

1.1 機(jī)械手的工作原理

機(jī)械手主要由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成。它通過計(jì)算機(jī)編程控制機(jī)械手來模仿人類的動(dòng)作，從而替代人工完成重復(fù)性和危險(xiǎn)性較高的工作。機(jī)械手的組成部分，如圖1所示。

控制系統(tǒng)作為機(jī)械手的中樞和大腦，負(fù)責(zé)指揮機(jī)械手工作。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)應(yīng)具備分布合理的電路、正確的應(yīng)用指令和工程配置軟件及控制算法等[1]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械手的動(dòng)力來源，要求十分精細(xì)。設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要了解機(jī)械手的電路分布情況，還要分析其內(nèi)部環(huán)境，以確保驅(qū)動(dòng)部分良好運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械手用來執(zhí)行各種動(dòng)作的裝置，具有很強(qiáng)的執(zhí)行能力。位置檢測裝置的作用是讓機(jī)械手的動(dòng)作更加精準(zhǔn)和明確，確保達(dá)到既定效果。

1.2 機(jī)械手的分類

機(jī)械手可以根據(jù)使用場地、用途和驅(qū)動(dòng)方式劃分類型。按照用途可以將機(jī)械手分為專用和通用兩類。專用機(jī)械手具有操作簡單、制造成本較低的優(yōu)點(diǎn)，常用于搬運(yùn)大批量的貨物。通用機(jī)械手適用范圍較廣且靈活多變，具有相對獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以受到不同程序的控制，從而完成不同的工作。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可以將機(jī)械手分為氣壓傳動(dòng)式、液壓傳動(dòng)式和機(jī)械傳動(dòng)式等。液壓機(jī)械手具有動(dòng)作靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，多用于搬運(yùn)重物，但不宜在高壓和溫度較低的環(huán)境下工作[2]。氣壓機(jī)械手常用于搬運(yùn)質(zhì)量較小的物品，具有操作便捷和成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)高溫、高壓的工作環(huán)境。機(jī)械式機(jī)械手具有操作精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，通常作為輔助機(jī)械手，輔助主機(jī)械手上下料。

不同類型的機(jī)械手具有不同的特點(diǎn)和用途。在實(shí)際應(yīng)用過程中，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)充分結(jié)合產(chǎn)品類型、生產(chǎn)環(huán)境等因素，選擇最合理的機(jī)械手類型，從而最大限度地降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的綜合效益。

2 基于機(jī)電一體化的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

基于機(jī)電一體化的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手主要由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)等部分構(gòu)成，如圖2 所示。

機(jī)器人本體主要用于支撐機(jī)械手的各個(gè)部位。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在機(jī)器人本體上，主要用于為動(dòng)作元件提供動(dòng)力[3]?？刂葡到y(tǒng)的作用是存儲和發(fā)送各種指令。檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測機(jī)械手所處的位置和姿態(tài)，并將這些信息及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要用于接收反饋信息并進(jìn)行計(jì)算，而后發(fā)送相應(yīng)指令調(diào)整機(jī)械手的動(dòng)作。端拾器主要用于拾取和搬運(yùn)物品，常見類型有吸附式、夾鉗式和仿人式等[4-7]。

搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手在完成一組搬運(yùn)動(dòng)作時(shí)，通常需要經(jīng)歷上升、下降、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、抓緊以及放松等過程，普遍存在一定的延時(shí)。基于機(jī)電一體化的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手動(dòng)作流程，如圖3 所示。

圖3 機(jī)械手自動(dòng)搬運(yùn)工作流程

2.2 機(jī)器人本體

機(jī)器人本體在搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在選擇機(jī)器人本體時(shí)，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、自由度數(shù)目、控制要求以及重復(fù)定位精度等方面。文章選擇型號為YR-1-07VXHE6-A00 的搬運(yùn)機(jī)器人本體，其具有流程簡單、生產(chǎn)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)造、性能和功能上進(jìn)行了創(chuàng)新，提高了動(dòng)作的自由度和體型的小型緊湊化[8-10]。該機(jī)器人本體是7 軸垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)、抬臂、前伸、手腕旋轉(zhuǎn)、彎曲以及手腕扭轉(zhuǎn)等功能。為了盡量避免其在運(yùn)行過程中各軸長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致的設(shè)備損壞，在設(shè)計(jì)過程中對各軸進(jìn)行限位設(shè)置，即當(dāng)軸運(yùn)行至限位時(shí)電機(jī)減速運(yùn)行直至停止。YR-1-07VXHE6-A00 機(jī)器人本體的主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

表1 YR-1-07VXHE6-A00 機(jī)器人本體的主要技術(shù)參數(shù)

2.3 控制系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)時(shí)，采用STC89C52 系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為系統(tǒng)的主控制器，采用西門子KTP1200 Basic PN 智能顯示終端作為人機(jī)交互界面，并通過控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，CAN）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的通信。PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，主要用于接收智能交互終端的操作指令，并傳遞不同工位PLC 的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號。智能顯示終端是一種友好的人機(jī)界面，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，可以根據(jù)操作人員的工作特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并與之匹配。它支持多種通信協(xié)議，如PROFIBUS、PROFINET 和EtherNet/IP 等，便于與其他設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)智能化控制[11]。該智能終端可以根據(jù)工作需要引導(dǎo)操作人員管理現(xiàn)場，而且該智能終端可選的冗余功能，使其能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的多種需求。在控制系統(tǒng)中，通過CAN 總線連接智能終端與PLC，可實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行工況。

在進(jìn)行硬件系統(tǒng)選型時(shí)，不僅要滿足控制系統(tǒng)當(dāng)前的使用需求，而且要考慮后期生產(chǎn)工藝優(yōu)化時(shí)的需求。因此，PLC 選型時(shí)應(yīng)盡量選擇接口豐富的產(chǎn)品，預(yù)留15%左右的輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口作為備用[12]。

2.4 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置是實(shí)現(xiàn)物品抓取和搬運(yùn)的主要部件。采用科學(xué)、合理的抓取和搬運(yùn)方法，不僅能夠確保物品搬運(yùn)的安全性，而且能夠提高機(jī)械手的工作效率[13]。為了提高執(zhí)行裝置的功能性和可靠性，設(shè)計(jì)了橫向抓取和縱向抓取兩種不同的裝置。這兩種執(zhí)行裝置均采用氣缸驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制氣缸。執(zhí)行裝置主要由機(jī)械基座、氣缸、夾爪以及電磁閥等部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)，機(jī)器人機(jī)械手搬運(yùn)具有作業(yè)效率高、安全性強(qiáng)和投入成本低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，機(jī)電一體化已經(jīng)成為搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢?；跈C(jī)電一體化的搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，有效提升了機(jī)械手的定位精準(zhǔn)度和作業(yè)穩(wěn)定性，滿足了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。