王亞飛，劉宜勝*，許 參，王劉學(xué)

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018；3.杭州新松機(jī)器人自動化有限公司，杭州 311228）

0 引言

近些年，移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)功能日益強(qiáng)大，智能家居產(chǎn)品也隨著誕生并迅速發(fā)展，功能多樣的智能家居產(chǎn)品涌入市場[1～3]。智能家居產(chǎn)品以其便利性、舒適性、智能化備受消費(fèi)者的喜愛，電動晾衣機(jī)更是其中的佼佼者。與傳統(tǒng)的晾曬方式相比，電動晾衣機(jī)除了具備遙控升降的基本操作，還附帶照明、消毒、烘干、語音播報等功能，并可通過手機(jī)App實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，用戶操作簡單，使其正逐漸成為陽臺上的一件必備品[4]。智能制造是我國重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一，智能家居生產(chǎn)制造的智能化、自動化是其發(fā)展的必然趨勢[5]，然而目前國內(nèi)中小型智能家居企業(yè)的生產(chǎn)制造過程中大多依靠人工操作，工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。以金華某晾衣機(jī)企業(yè)生產(chǎn)過程中電動晾衣機(jī)的送檢操作為例，電動晾衣機(jī)的搬運(yùn)、裝夾仍依靠人工完成，存在勞動強(qiáng)度大，工人留存率低等問題。

目前，國內(nèi)大中型制造企業(yè)均十分重視生產(chǎn)自動化程度的提高，通過機(jī)器換人來降低工人的勞動強(qiáng)度并有效提升生產(chǎn)效率。機(jī)械手在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的抓取、提升等自動化操作領(lǐng)域中得到廣泛研究和應(yīng)用，如Liang，D等[6]設(shè)計(jì)一種全新欠驅(qū)動的機(jī)械手，采用平行捏和自適應(yīng)包圍抓取的混合式抓握模式，使用勢能法分析該機(jī)械手的抓握姿勢和穩(wěn)定性，并提供了一種優(yōu)化力分布的方法，詳細(xì)分析了捏緊和包圍抓緊之間的切換條件，證明該機(jī)械手具有廣泛的自適應(yīng)性和高度實(shí)用性；Aggogeri等[7]設(shè)計(jì)出聚合物材料的機(jī)器人手抓，該手抓可抓取多種尺寸的物體，提出的設(shè)計(jì)方法著重于LLudwick材料建模，描述了具體非線性彈性行為的可變形材料，通過對手抓的實(shí)驗(yàn)測試，得出理論模型和Simultion模型；任久帥等[8]設(shè)計(jì)出印刷電路板抓取機(jī)械手，抓取動力源采用氣動力，夾緊氣缸推動齒輪齒條運(yùn)動，使手抓張開，并依靠末端執(zhí)行器的4個夾緊器加緊工件，實(shí)現(xiàn)抓??；劉曉敏等[9]設(shè)計(jì)出氣動仿人柔性靈巧手，設(shè)計(jì)出有氣囊和彈性骨架組成的氣動柔性關(guān)節(jié)，在動力源為氣壓作用下，迫使柔性關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲變形，通過多根手指的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)抓取物體，該機(jī)械手具有10個自由度，4個機(jī)動度。抓取范圍65mm～180mm，有效抓取重物質(zhì)量1kg；李文等[10]設(shè)計(jì)了吸盤式氣動機(jī)械手，通過真空吸盤對板類材料吸持與釋放。目前升降技術(shù)主要有滾柱絲杠與齒輪齒條升降、液壓氣壓同步升降和液壓氣壓擺動升降、曳引式升降。郭一行等[11]對升降輸送機(jī)滾柱絲杠的動力學(xué)進(jìn)行研究，對滾柱絲杠在工作過程中的受力情況及產(chǎn)生徑向載荷的原因進(jìn)行分析，提出了減小滾珠絲杠徑向載荷的有效方法；葉福民等[12]對自升式海洋平臺齒輪齒條接觸應(yīng)力進(jìn)行了研究，建立了三維模型，計(jì)算齒輪齒條的應(yīng)力，得出接觸面的最大應(yīng)力；尉鵬[13]設(shè)計(jì)的新型鋼卷升降裝置，升降的動力源為液壓，用過控制升降缸的伸縮，推動鋼卷升降；李艾民等[14]設(shè)計(jì)了一種新型上料機(jī)升降裝置，該裝置以電機(jī)為動力源，采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，有效改善升降的速度；齊英杰等[15]對造船大起升高度門機(jī)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了造船門機(jī)的大起升機(jī)構(gòu)，建立了計(jì)算模型。通過對多種機(jī)械手抓取和提升方案的對比分析，結(jié)合晾衣機(jī)產(chǎn)品送檢工況的自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)了具備自適應(yīng)晾衣機(jī)專用抓取裝置和鋼絲繩卷筒提升裝置的電動晾衣機(jī)自動送檢裝置。該設(shè)備勞動強(qiáng)度低、適用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、穩(wěn)定性高。目前該設(shè)備已投入到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中。

1 電動晾衣機(jī)自動送檢裝置

該設(shè)備整機(jī)采用龍門式框架結(jié)構(gòu)，主要部件有抓取裝置、升降裝置、導(dǎo)向裝置等。電動晾衣機(jī)自動送檢裝置的三維示意圖如圖1所示。

圖1 電動晾衣機(jī)自動送檢裝置總體結(jié)構(gòu)圖

電動晾衣機(jī)自動化檢測流程設(shè)計(jì)如下：電動晾衣機(jī)傳送到檢測工位時，工人按下啟動按鈕，抓取裝置在升降裝置的作用下，下降到抓取位置，抓取電動晾衣機(jī)，然后提升至一定高度（約工人肩部位置）后暫停；隨后工人檢查電動晾衣機(jī)的外觀；完成后，工人再次按下啟動按鈕，電動晾衣機(jī)繼續(xù)上升；通過頂部光電開關(guān)判斷電動晾衣機(jī)是否到來，判斷到達(dá)，則步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；然后工人檢測電動晾衣機(jī)的照明、升降、晾衣桿伸縮等功能；檢測完成后，工人按下啟動按鈕，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，電動晾衣機(jī)下降；當(dāng)即將接觸到隨行托盤時，步進(jìn)電機(jī)減速，并緩慢將電動晾衣機(jī)放置至隨行托盤上，之后抓緊裝置松開電動晾衣機(jī)，并提升到初始位置，至此完成一個工作周期。

2 抓取裝置

結(jié)合電動晾衣機(jī)產(chǎn)品自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（尺寸、重量大，產(chǎn)品規(guī)格多，整機(jī)材料為塑料，強(qiáng)度較低）分析。吸盤式機(jī)械手可以快速準(zhǔn)確的抓放工件，但是電動晾衣機(jī)產(chǎn)品表面分布有安裝孔，而且晾衣機(jī)重量較大（15kg～30 kg），存在脫落的風(fēng)險，故吸盤式機(jī)械手不適用；仿人機(jī)械手，其自由度多，功能豐富，能實(shí)現(xiàn)對電動晾衣機(jī)的抓取操作，但是抓取電動晾衣機(jī)的動作比較簡單，定位精度要求不高，然而仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)制作成本高，故仿人機(jī)械手不適應(yīng)。通過多種方案的對比分析，設(shè)計(jì)一款電動晾衣機(jī)專用抓取裝置。該裝置能夠很好的滿足電動晾衣機(jī)的夾取動作，同時在升降和檢測過程中提供持續(xù)的抱持力。考慮到電動晾衣機(jī)機(jī)身多為塑料材質(zhì)，兩端安裝孔位置裝有不銹鋼加強(qiáng)板如圖2所示，故選取該處為機(jī)械手夾取位置。抓取裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 電動晾衣機(jī)側(cè)面示意圖

圖3 抓取裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1）運(yùn)動方式。抓取動作是水平方向上做往復(fù)直線運(yùn)動。因此執(zhí)行元件選用滾柱絲杠，動力源選用步進(jìn)電機(jī)。

2）機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以該公司所有電動晾衣機(jī)的形狀、尺寸及重量等參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。反復(fù)比較測試，最終選用不銹鋼板材作為基材，焊接而成。為增加抱持的穩(wěn)定性，在與產(chǎn)品接觸區(qū)域添加橡膠層。

3）夾緊方式的實(shí)現(xiàn)。通過控制程序驅(qū)動兩個步進(jìn)電機(jī)同時轉(zhuǎn)動，驅(qū)動滾柱絲杠帶動滑臺上機(jī)械手做直線運(yùn)動。抓取時，兩件機(jī)械手在滾柱絲杠的作用下，插入到電動晾衣機(jī)兩側(cè)，并緩慢提升一定高度將電動晾衣機(jī)抬起；松開時，兩機(jī)械手先緩慢下降一定高度在從晾衣機(jī)兩側(cè)移出。

4）調(diào)節(jié)裝置。由于滾柱絲杠帶動機(jī)械手運(yùn)動的行程固定，為了滿足多規(guī)格電動晾衣機(jī)的檢測，通過改變兩件滾柱絲杠之間距離，實(shí)現(xiàn)不同長度電動晾衣機(jī)的抓取?？紤]到操作的便捷性，將滾柱絲杠安裝到帶鎖滑塊上。產(chǎn)品換線時，可根據(jù)新產(chǎn)品的長度，擰松帶鎖滑塊，滑動至對應(yīng)位置并鎖緊，從而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)兩滾柱絲杠之間的距離。

3 升降裝置

3.1 升降方案的選擇

通過對目前主流的升降機(jī)構(gòu)的分析對比。氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)快速升降的運(yùn)動，但氣缸的行程不能滿足要求，而且運(yùn)動過程中速度不可控，大重量時會出現(xiàn)抖動；滾柱絲杠或齒輪齒條能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的升降運(yùn)動，同時速度可控制、運(yùn)行平穩(wěn)、精度高，但電動晾衣機(jī)升降行程大，位置精度要求較低，滾柱絲杠或齒輪齒條價格成本較高；鋼絲繩卷筒升降機(jī)構(gòu)能很好的滿足對電動晾衣機(jī)的大行程的升降，其升降過程中運(yùn)行平穩(wěn)、速度可調(diào)節(jié)、定位精度滿足要求，而且其機(jī)構(gòu)簡單，便于后期維修，成本較低。故選用鋼絲繩卷筒機(jī)構(gòu)作為升降機(jī)構(gòu)。

3.2 升降裝置的實(shí)現(xiàn)

升降裝置安置于該設(shè)備的頂部，通過鋼絲繩和滑輪與下方的抓取裝置連接，通過PLC程序控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)軸上卷筒收放鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)抓取裝置在豎直方向上做往復(fù)豎直運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)配有電磁抱閘制動器，當(dāng)斷電時，確保不會墜落。為了保證升降電機(jī)的扭矩，輸出端增加行星減速機(jī)。升降裝置如圖4所示。

圖4 升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 導(dǎo)向裝置

為了保證升降過程平穩(wěn)快速。選用型號為HGR25直線導(dǎo)軌滑塊作為導(dǎo)向裝置，通過兩組導(dǎo)軌滑塊將抓取裝置與龍門框架的立柱連接。

4 PLC控制系統(tǒng)

該設(shè)備選用三菱PLC（型號：FX3U-32MT/ES-A）作為控制器。整個控制系統(tǒng)的硬件包括電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、光電反射位置開關(guān)、編碼器及按鈕和電源等輔助單元。PLC輸入依據(jù)初始程序設(shè)定和外部輸入做出邏輯判斷，其輸出3路脈沖信號提供給3個驅(qū)動器指令，實(shí)現(xiàn)對不同電機(jī)的控制，使用編碼器采集減速機(jī)輸出的的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并反饋給PLC，根據(jù)控制結(jié)果改變步進(jìn)電機(jī)輸出控制電流。經(jīng)核算，抓取裝置的步進(jìn)電機(jī)選用2.3N·m額定轉(zhuǎn)矩的雷塞步進(jìn)電機(jī)（型號：57CM22X）；升降裝置步進(jìn)電機(jī)選用28N·m米格步進(jìn)電機(jī)（型號：FHB31322），選用傳動比為4的行星減速機(jī)。在豎直方向升降行程和水平方向抓取行程的極限位置安裝位置傳感器，選用非接觸式的金屬感應(yīng)傳感器，若超出行程觸發(fā)極限位置開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)并報警。該裝置的控制系統(tǒng)框架圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

該P(yáng)LC控制程序在Windows平臺下使用三菱電機(jī)開發(fā)的GX Works2編程工具進(jìn)行程序的編寫、編譯、導(dǎo)出，該軟件可以通過梯形圖、指令表、SFC等編程語言進(jìn)行編寫，還支持程序編輯、網(wǎng)絡(luò)設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、在線更改等功能[16]。PLC控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 PLC控制程序流程圖

該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

1) 該設(shè)備機(jī)構(gòu)簡單，安裝便捷；

2) 更換產(chǎn)品線時，操作簡單靈活，可兼容性高；

3) 抓取操作和升降操作均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，便于PLC程序的編寫調(diào)試；

4) 設(shè)計(jì)了專用抓取電動晾衣機(jī)的手爪件，能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定抓放電動晾衣機(jī)；

5) 選用光電位置開關(guān)等傳感器模塊，確保設(shè)備運(yùn)行準(zhǔn)確安全可靠。

5 現(xiàn)場調(diào)試

目前，該設(shè)備已經(jīng)安裝調(diào)試完成并交付廠家，現(xiàn)場安裝調(diào)試如圖7所示。經(jīng)過培訓(xùn)，車間工人已能夠熟練使用設(shè)備，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明：經(jīng)過半年多的使用，該設(shè)備能夠很好的完成電動晾衣機(jī)抓取、升降等送檢操作，其高兼容性、便捷性、穩(wěn)定性得到企業(yè)的認(rèn)可。

圖7 設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試

圖8 現(xiàn)場工人實(shí)際操作

6 結(jié)語

針對電動晾衣機(jī)企業(yè)檢測工位勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等不足。通過車間的現(xiàn)場情況實(shí)地考察，對現(xiàn)有主流技術(shù)的分析，設(shè)計(jì)制作了一種電動晾衣機(jī)自動抓取提升送檢裝置。該裝置設(shè)計(jì)了晾衣機(jī)專用抓取裝置，其動力源為步進(jìn)電機(jī)，執(zhí)行元件為滾柱絲杠；升降裝置選用鋼絲繩卷筒升降方式。經(jīng)過試生產(chǎn)測試：該裝置機(jī)構(gòu)簡單，通用性高、易于維修和穩(wěn)定性高。目前，該首批設(shè)備已投入車間使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，很好的滿足電動晾衣機(jī)企業(yè)的生產(chǎn)需要，很大程度的減輕操作者的勞動強(qiáng)度，提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率。