王素粉，田子欣

(1.河南科技大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

隨著氣動(dòng)技術(shù)及自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線也日趨智能化，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線加工相關(guān)文獻(xiàn)的查閱及對(duì)國(guó)內(nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)線的現(xiàn)狀分析，結(jié)合校企合作企業(yè)自動(dòng)化拉伸生產(chǎn)線目前存在的加工效率低、上料半自動(dòng)化、中心對(duì)中不準(zhǔn)確、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，為企業(yè)中所使用的拉伸機(jī)半自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)中連桿交叉雙活塞式機(jī)械手，作為專用的上下料機(jī)械手。針對(duì)工件在拉伸過(guò)程中直徑會(huì)發(fā)生變化的特點(diǎn)，該機(jī)械手前端設(shè)計(jì)了能夠自動(dòng)對(duì)中的連桿交叉式平移夾持器；采用PLC及氣動(dòng)原理設(shè)計(jì)出機(jī)械手的控制系統(tǒng)，同時(shí)，還加入了壓力反饋閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高了整個(gè)機(jī)械手的上下料精度，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位，從而提高了機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)拉伸半自動(dòng)化生產(chǎn)線的拉伸效率、改善了生產(chǎn)質(zhì)量、提高了自動(dòng)化程度，且能夠有效改善企業(yè)車間的環(huán)境并降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，也為企業(yè)其他設(shè)備的自動(dòng)化改造提供一定的借鑒。

1 數(shù)控雙動(dòng)力拉伸機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線工作原理及要求

1.1 數(shù)控雙動(dòng)力拉伸機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線工作原理

本文研究的數(shù)控拉伸自動(dòng)上下料生產(chǎn)線主要包括兩臺(tái)數(shù)控拉伸機(jī)、物料傳送裝置、電氣控制系統(tǒng)和兩臺(tái)機(jī)械手，其組成框圖如圖1所示。數(shù)控拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線工作原理為：兩個(gè)機(jī)械手原位等待，當(dāng)毛坯到達(dá)數(shù)控拉伸機(jī)時(shí)，機(jī)械手1把毛坯放置在數(shù)控拉伸機(jī)1上完成工件的第一道拉伸工序后，機(jī)械手1啟動(dòng)，抓取工件，旋轉(zhuǎn)后放置在傳送帶上，通過(guò)傳送帶傳遞到達(dá)數(shù)控拉伸機(jī)工位2旁，此時(shí)機(jī)械手2抓取工件，放置在數(shù)控拉伸機(jī)2工作臺(tái)上，待第二道拉伸工序完成后，工件被機(jī)械手2放置在待檢處理臺(tái)上，檢測(cè)完成后被送到成品區(qū)。根據(jù)生產(chǎn)線的工作原理利用SolidWorks三維造型軟件設(shè)計(jì)出其上料與卸料狀態(tài)三維模型，如圖2和圖3所示。

圖1 數(shù)控拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線組成框圖

圖2 數(shù)控拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手上料狀態(tài) 圖3 數(shù)控拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手卸料狀態(tài)

1.2 機(jī)械手工作流程及控制要求

1.2.1 機(jī)械手的工作流程

通過(guò)分析數(shù)控拉伸自動(dòng)化生產(chǎn)線的工作原理可知，上下料機(jī)械手主要作用是根據(jù)工件到達(dá)及加工完畢信號(hào)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)且能準(zhǔn)確到達(dá)工件位置，保證正確夾取工件，由于工件形狀為圓柱形，所以需要機(jī)械手的夾持部分與工件的接觸面全面接觸，具體控制要求為：伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)及手臂動(dòng)作，完成工作后由原位傳感器控制機(jī)械手原地待命，得到工件傳遞到位信號(hào)后，機(jī)械手抓取工件放置到數(shù)控拉伸機(jī)的工作臺(tái)上，原地待命，等待接受到數(shù)控拉伸機(jī)加工完畢的信號(hào)后執(zhí)行取件任務(wù)，再逆向旋轉(zhuǎn)放回到下一道工序位置，如此循環(huán)。在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一旦出現(xiàn)任何故障，機(jī)械手都會(huì)給出報(bào)警信號(hào)，且自動(dòng)停止，待所有故障排除后復(fù)位即可。根據(jù)其工作情況，可以把機(jī)械手分為以下6個(gè)工作狀態(tài)：狀態(tài)1，原位等待；狀態(tài)2，旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位；狀態(tài)3，夾持工件；狀態(tài)4，逆向旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置；狀態(tài)5，放置工件；狀態(tài)6，機(jī)械手復(fù)位。

1.2.2 機(jī)械手工作控制要求

啟動(dòng)要求：?jiǎn)?dòng)時(shí)要求機(jī)械手先處于原位，否則將無(wú)法啟動(dòng)整個(gè)程序。

取料要求：機(jī)械手的伸縮臂伸出長(zhǎng)度為195 mm，利用手爪夾緊工件等待5 s，機(jī)械手伸縮臂縮回距離為95 mm，機(jī)械手升降臂上升距離為155 mm，同時(shí)機(jī)械手回轉(zhuǎn)液壓缸逆時(shí)針回轉(zhuǎn)角度為150°至取料位置。

上料要求：機(jī)械手臂伸出195 mm，到達(dá)數(shù)控拉伸機(jī)1上料工作臺(tái)位置，手指松開(kāi)等待3 s，伸縮手臂縮回，旋轉(zhuǎn)液壓缸再順時(shí)針回轉(zhuǎn)150°，機(jī)械手到達(dá)原位停止，等待拉伸機(jī)完成第一道工序。

卸料要求：拉伸機(jī)1加工完成后會(huì)發(fā)出加工完成信號(hào)，信號(hào)輸入到PLC,待機(jī)械手得到信號(hào)后，旋轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)150°伸縮手臂伸出195 mm到達(dá)加工工件位置，手指夾緊等待3 s；手臂縮回，旋轉(zhuǎn)液壓缸旋轉(zhuǎn)150°，升降液壓缸下降195 mm到達(dá)初始位置。

工件放置要求：回轉(zhuǎn)到位后，伸縮臂伸出，到達(dá)傳送帶，手指松開(kāi)等待2 s后，手臂縮回，回到原始位置。

工件傳送要求：傳送帶需要一個(gè)變頻器控制的三相交流異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)工件傳遞到第二道工序時(shí)，執(zhí)行第二個(gè)加工工序，待加工完畢后，機(jī)械手執(zhí)行取料任務(wù)后，加工成品工件被傳送帶傳送至待檢區(qū)，等待處理和分揀。

復(fù)位要求：安裝原位限位開(kāi)關(guān)，機(jī)械手的復(fù)位主要是機(jī)械手停止循環(huán)工作后手臂復(fù)位、手爪復(fù)位，機(jī)械手處于停止?fàn)顟B(tài)。

2 數(shù)控拉伸機(jī)上下料機(jī)械手整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)控拉伸機(jī)的工作原理及機(jī)械手的主要工作任務(wù),為便于設(shè)計(jì)及后期維修工作，上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含升降模塊、伸縮模塊、夾持模塊、回轉(zhuǎn)模塊。其中，在回轉(zhuǎn)模塊安裝有自定位模塊，保證機(jī)械手的回轉(zhuǎn)精度，同時(shí)提高夾持器的靈活性及對(duì)稱性；夾持模塊設(shè)計(jì)成自動(dòng)對(duì)中連桿交叉雙活塞式夾持器，其動(dòng)作時(shí)靠各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞；控制器采用三菱PLC，其升降動(dòng)作由升降缸控制，伸縮由伸縮缸完成，旋轉(zhuǎn)靠旋轉(zhuǎn)缸完成；手爪部分采用連桿交叉雙活塞式平移夾持方式。機(jī)械手整體設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

1-升降氣缸；2-回轉(zhuǎn)氣缸；3-伸縮氣缸；4-連桿交叉雙活塞式平移夾持器

3 機(jī)械手夾持器的設(shè)計(jì)

要保證數(shù)控拉伸機(jī)對(duì)工件的拉伸精度，就必須保證機(jī)械手放置工件時(shí)的位置精度，但在拉伸過(guò)程中，兩道拉伸工序前后工件的尺寸發(fā)生了明顯的改變，如果采用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式端部夾持器將會(huì)嚴(yán)重影響其夾持精度，因此要選擇平移型夾持的方式，但傳統(tǒng)的平移型夾持器都存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積龐大、動(dòng)作不靈活等問(wèn)題。因此，本文在傳統(tǒng)的平移型夾持器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)對(duì)中連桿交叉雙活塞式夾持器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該機(jī)械夾持器主要由雙活塞式滑動(dòng)氣缸和連桿交叉手爪組成，此結(jié)構(gòu)既保證了傳動(dòng)的平穩(wěn)性又可保證左右的夾塊移動(dòng)量一致，從而更加精準(zhǔn)地保證夾取、放下的位置。當(dāng)電磁閥得電，氣體進(jìn)入雙聯(lián)氣缸的中間腔時(shí)，兩個(gè)活塞將帶動(dòng)活塞桿同時(shí)伸出，執(zhí)行夾緊動(dòng)作；當(dāng)電磁閥失電氣缸將會(huì)復(fù)位，執(zhí)行手爪松開(kāi)動(dòng)作。由于兩個(gè)活塞共用一個(gè)腔體，因此壓力保持一致，所以左手爪的松開(kāi)和夾緊時(shí)左右?jiàn)A塊動(dòng)作保持一致，即使出現(xiàn)了拉伸工件尺寸的改變，其中心位置始終保持不變，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中的效果。氣動(dòng)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有機(jī)械手的笨重和龐大等問(wèn)題。

1-雙活塞式氣缸；2-連桿交叉手爪

4 機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手用于拉伸生產(chǎn)線的上下料，因此氣動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降、伸縮和回轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位和平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了限位傳感器；為了提高氣體的質(zhì)量，選用了空氣過(guò)濾器，同時(shí)，用減壓閥及電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)氣流的控制。其中，手指夾緊回路由二位三通電磁換向閥和減壓閥控制連桿交叉雙活塞式氣缸，手指的回轉(zhuǎn)及機(jī)械手機(jī)身回轉(zhuǎn)利用了三位四通電磁換向閥及減壓閥控制回轉(zhuǎn)氣缸，而機(jī)身的升降和機(jī)械手的伸縮分別使用了三位四通的氣電伺服閥。機(jī)械手氣動(dòng)控制原理圖如圖6所示。

1-氣源；2-空氣過(guò)濾器；3-減壓閥；4-壓力表；5-二位三通電磁換向閥；6，9，10，13，14，18，19-單向節(jié)流閥；7-手指夾緊氣缸；8，12-三位四通電磁換向閥；11-機(jī)械手機(jī)身回轉(zhuǎn)氣缸；15-夾持器回轉(zhuǎn)氣缸；17，21-三位四通氣電伺服閥；16-手臂伸縮氣缸；20-機(jī)身升降氣缸

5 控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)對(duì)中連桿交叉雙活塞式上下料機(jī)械手的程序控制主要包含了對(duì)機(jī)械手本身執(zhí)行動(dòng)作軌跡的控制及數(shù)控拉伸機(jī)各種信號(hào)的傳遞。在程序編寫過(guò)程中重點(diǎn)考慮到各種環(huán)節(jié)的執(zhí)行特點(diǎn)，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)方向靠旋轉(zhuǎn)氣缸150°的旋轉(zhuǎn)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)，并加入定位模塊；機(jī)械手伸出及縮回的限位靠磁性傳感器來(lái)控制，機(jī)械手的抓取則靠時(shí)間延時(shí)來(lái)控制。除此之外，還可以加入觸摸控制和監(jiān)測(cè)動(dòng)作情況。

機(jī)械手的自動(dòng)化控制狀態(tài)流程如圖7所示。

圖7 機(jī)械手控制狀態(tài)流程

在初始位置M0,機(jī)械手處于原位等待，當(dāng)料臺(tái)上有料時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至料臺(tái)，下降到位延時(shí)夾緊工件完畢后，機(jī)械手機(jī)身上升，再逆向旋轉(zhuǎn)至拉伸機(jī)旁，機(jī)械手下降到工件放置位置，機(jī)械手調(diào)整工件位置完畢，縮回、旋轉(zhuǎn)至原位等待加工完畢信號(hào)傳遞。待加工完畢后，機(jī)床信號(hào)將會(huì)傳遞到PLC。PLC控制機(jī)械手再次抓取物料并放回到傳送帶上，傳送帶在電機(jī)的帶動(dòng)下工作，把工件傳送至第二個(gè)拉伸機(jī)旁執(zhí)行第二道工序。加工完成下料后，機(jī)械手回到原點(diǎn)，依次往復(fù)循環(huán)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工件在拉伸過(guò)程中直徑會(huì)發(fā)生變化的特點(diǎn)，分析了數(shù)控雙動(dòng)力拉伸生產(chǎn)線的工作原理，設(shè)計(jì)了能夠自動(dòng)對(duì)中的連桿交叉雙活塞式平移機(jī)械手。根據(jù)生產(chǎn)線的工作原理，利用SolidWorks三維造型軟件設(shè)計(jì)出其上料與卸料狀態(tài)三維圖，研究了機(jī)械手氣電伺服位置控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出機(jī)械手氣動(dòng)控制原理圖，利用三菱PLC軟件對(duì)其機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文的研究將提高數(shù)控拉伸機(jī)的上下料自動(dòng)化程度及上下料的精度，提高拉伸機(jī)的生產(chǎn)效率。