王威 金麗麗 許方富 朱偉 顏建國 趙瑜

摘要：本文基于機械手的應(yīng)用背景及硬件參數(shù)為基本參照點，對紙漿餐盤成型機械手的總體結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計，分別從手部結(jié)構(gòu)、手腕結(jié)構(gòu)、氣壓動力系統(tǒng)等方面介紹了機械設(shè)計的基本思路，結(jié)合著PLC技術(shù)實現(xiàn)了機械手的運動控制，有效的滿足了制造工藝的基本要求。

關(guān)鍵詞：機械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計;控制系統(tǒng)

引言

目前，紙漿餐盤成型的上下料基本采用人工在烘干機和撈漿機之間來回操作，上下料效率極其低下，對此本文研制了一種一次性紙漿餐盤成型上下料機械手，將人工動作變?yōu)闄C械自動化操作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涵蓋機械結(jié)構(gòu)以及控制電路結(jié)構(gòu)兩大部分。不僅大大的減輕了工人的勞動強度，同時還有效的提升了生產(chǎn)效率。

1 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

機械手的結(jié)構(gòu)形式直接決定著其基本功能，不同機械結(jié)構(gòu)所實現(xiàn)的運動范圍以及方式是不同的，根據(jù)實際的使用需求，本文以圓柱座標式氣動搬運機械手為例進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。實現(xiàn)紙盤餐具的抓取、搬運等基本功能，使其在實際的工作進程中能夠始終保持著穩(wěn)固的直立姿態(tài)。

2 機械手主要機械部件設(shè)計

2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計

手部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了物體的直接抓取，主要有氣流負壓式和夾持式兩種主要形式[1]，在傳動結(jié)構(gòu)的互相配合下對手部運動進行綜合控制，進而達到抓取物體的主要目的。為了實現(xiàn)手指的靈活動作，采用齒輪和齒條互相配合的傳動方式實現(xiàn)對稱運動，進而控制手指的張開和夾緊。

2.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計

手腕是機械手部和手臂之間傳動的基本機械部件，設(shè)計主要是針對手部動作進行綜合調(diào)整，實現(xiàn)靈活的動作控制。在物體的搬運作業(yè)當(dāng)中，物體擺放的位置是固定的，本文的設(shè)計結(jié)構(gòu)通過調(diào)整手部結(jié)構(gòu)能夠恰當(dāng)?shù)膶ξ矬w進行夾持。

2.3氣壓系統(tǒng)的設(shè)計

氣壓系統(tǒng)是整個機械裝置的動力所在，通過氣缸的作用在各個機械部件上進而驅(qū)動各個部件的動作[2]。這個過程中機械手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的回轉(zhuǎn)和伸縮，同時還要具備一定的精細作業(yè)的能力，對此本文采用了雙氣缸的設(shè)計方法，以實現(xiàn)精準的控制。雙氣缸的設(shè)計方法避免了氣壓系統(tǒng)的頻繁啟停和調(diào)整。

3 搬運機械手的運動控制

3.1 控制要求

機械手對物體的搬運不僅按照要求完成指定位置的移動，同時還要具備物體位置的自動檢測和追蹤，實現(xiàn)了精準的計數(shù)功能，實時的展示搬運數(shù)量等參數(shù)，具有較高的控制精度和靈敏度。

3.2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用主流的PLC控制技術(shù)，為了充分的做好接口的資源利用，系統(tǒng)采用7個I/O口作為輸入，其中涵蓋5個控制信號以及限制信號和執(zhí)行信號燈信息參數(shù)。

3.3 控制邏輯

機械手的所有運動結(jié)構(gòu)都是通過電磁閥來作為基本的執(zhí)行結(jié)構(gòu)來進行的，實現(xiàn)了上升、下降、左移、右移等基本操作，在多個控制指令的協(xié)同操作下，實現(xiàn)機械手的靈活多樣控制，以固定的動作組合進行重復(fù)執(zhí)行，實現(xiàn)完整的控制流程，進而對機械手進行任意動作的調(diào)整。

4 上下料機械手的流程及參數(shù)設(shè)置

本項目研制的上下料機械手主要針對為餐盤，也可以適用于其他紙漿制品，比如碟子、飯盒等等。

4.1 上下料機械手工作流程設(shè)計

一次性紙漿餐盤成型上下料機械手用于在撈漿機和烘干機之間來回上下料鐵絲網(wǎng)及附著的紙漿餐盤。

烘干機內(nèi)設(shè)有第一鐵絲網(wǎng)，撈漿機內(nèi)設(shè)有第二鐵絲網(wǎng)，一次性紙漿餐盤成型上下料機械手內(nèi)設(shè)有第三鐵絲網(wǎng)。在撈漿機位置時，機械手的下層濾網(wǎng)抓取模塊用于將有紙漿的第二鐵絲網(wǎng)從撈漿機內(nèi)取出，機械手上層濾網(wǎng)抓取模塊用于將空的第三鐵絲網(wǎng)放入撈漿機內(nèi)撈漿。在烘干機位置時，機械手上層濾網(wǎng)抓取模塊用于從烘干機內(nèi)取出已烘干的第一鐵絲網(wǎng)，機械手下層濾網(wǎng)抓取模塊用于將第二鐵絲網(wǎng)放入該烘干機內(nèi)。在完成機械手上層濾網(wǎng)抓取模塊將烘干機內(nèi)取出已烘干的第一鐵絲網(wǎng)后，餐盤下料模塊將第一鐵絲網(wǎng)內(nèi)的紙漿餐盤成品通過真空吸走;并在機械手處在撈漿機位置時，將紙漿餐盤成品放掉并外部回收。

4.2 機械手關(guān)鍵參數(shù)確定

機械手各個部位的最大速度和負載能力是機械手設(shè)計過程中所必須考慮的技術(shù)參數(shù)。機械手最大速度與電機的額定轉(zhuǎn)速、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑或齒輪節(jié)徑有關(guān)。負載能力與電機的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑或齒輪節(jié)徑有關(guān)。在電機的額定轉(zhuǎn)速一定的情況下，減速比越小、帶輪（齒輪）節(jié)徑越大，機械手能夠達到的最大速度便會越大。

X軸關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：減速器型號：PB90-10;伺服電機：ECMA-C21010SS;斜齒輪：HGL40-M2-21-22;斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節(jié)圓直徑：d=mz/cosβ=2*21/cos19.528=44.56mm;

電機轉(zhuǎn)1圈時，齒條運動距離為：

L=π*d/減速比=3.14*44.56/10=13.99184mm

Z軸關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：減速器型號：PB120-40;伺服電機：ECMA-E21320SS;斜齒輪：HGL40-M2-30-32;

斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節(jié)圓直徑：d=mz/cosβ=2*30/cos19.528=63.66mm;

電機轉(zhuǎn)1圈時，齒條運動距離為：

L=π*d/減速比=3.14*63.66/40=4.99731mm

同步帶關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：同步帶輪5M-齒數(shù)20，節(jié)圓直徑d=31.83mm;

同步帶輪轉(zhuǎn)一圈，滑塊距離：L=π*d=3.14*31.83mm=100mm;

電機轉(zhuǎn)速：900r/min;

滑塊運動距離500mm所需時間為：1秒;

4.3 機械手主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

一次性紙漿餐盤成型上下料機械手的主要構(gòu)造包括龍門架、移動部分和電控柜。上下料機械手移動部分主要以X軸、Z軸以及吊籃結(jié)構(gòu)為主。機械手為5軸，分為橫軸、縱軸、取料上框、取料下框、下料。X軸和Z軸可分別實現(xiàn)水平和豎直兩個方向的運動，其主要由齒輪、齒條、直線導(dǎo)軌、減速器、1kw伺服電機、2kw伺服電機、焊接豎直立梁和塑料拖鏈等零部件組成，配備直線導(dǎo)軌滑塊自動加油功能。其中，油路潤滑系統(tǒng)包括了自動油泵、卸壓式油路分配器、流體控制閥和油嘴接頭等零部件，具備導(dǎo)軌滑塊定時定量自動注油潤滑，可實現(xiàn)X-Z軸以及吊籃兩條潤滑油路的分開控制。

5結(jié)語

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對于各種半自動化的應(yīng)用場景的要求越來越高，結(jié)合著實際工況設(shè)計最佳的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)才能滿足日益多元化的工業(yè)自動化需求，本文設(shè)計的機械手結(jié)構(gòu)具有動作靈活、反應(yīng)敏捷以及可靠性高的基本功能，有效的滿足了餐盤成型過程中制造工藝的基本要求。

參考文獻

[1]陳廣慶，雷琳琳，夏信堂，王吉岱.基于功能原理的全自動餐具分揀包裝生產(chǎn)線的研究[J].制造業(yè)自動化，2014，36（22）：116-118+125.

[2]江麗珍，段海峰，趙易，劉楚生.基于PLC的注塑機械手自動取件系統(tǒng)設(shè)計[J].塑料，2021，50（02）：82-86.

作者簡介：王威（1986-10），男，漢，浙江臺州人，碩士學(xué)歷，中級工程師，主要從事電力電子控制的研究。