張雨龍 ， 蘭 鋒 ， 羌小龍

（上海齊耀重工有限公司，上海 220408）

1 概述

從現(xiàn)階段的市場結(jié)構(gòu)來看，氣動夾爪占據(jù)絕大部分市場份額，中國市場標(biāo)準(zhǔn)化氣動夾爪占比超過90%，電動夾爪占比僅為3%左右；海外市場標(biāo)準(zhǔn)化氣動夾爪占比超過70%，電動夾爪占比接近18%。一方面，以協(xié)作機(jī)器人為代表的增量市場持續(xù)放量，將對電動夾爪形成較強(qiáng)的需求拉力；另一方面，以工業(yè)自動化為代表的存量市場，逐漸衍生出電動夾爪替代氣動夾爪的新機(jī)會。

電動夾爪能夠針對多樣化、柔性生產(chǎn)場景[1]，具備抓取檢測和掉落檢測功能，產(chǎn)品集成度高?？刂葡到y(tǒng)集成在手爪內(nèi)部，無需更換夾具，能夠節(jié)約成本、提高使用效率[2]。因此，電動夾爪能以自身優(yōu)越的性能更加廣泛地代替氣動夾爪，其控制也變得越來越簡單方便，能更好地融入自動化系統(tǒng)中。

2 電動夾爪應(yīng)用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究主要介紹了電動夾爪在智能制造設(shè)備中的應(yīng)用及其控制方式。常見的夾爪控制方式有IO控制、脈沖控制、通信控制，本文所研究的電動夾爪采用的是RS485通信控制。

2.1 在設(shè)備中的運(yùn)用

常用的工作方式有內(nèi)撐模式和外夾模式。

1）內(nèi)撐模式。此模式適用于抓取夾具行程范圍內(nèi)（夾取范圍大小不局限于行程，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)）的物體（物體形狀不受限制，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)），內(nèi)撐模式示意圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)撐模式示意圖

2）外夾模式。此模式適用于抓取外形不規(guī)則或者外表面不可擠壓的物體，外夾模式示意圖如圖2所示。

圖2 外夾模式示意圖

在實(shí)際運(yùn)用中，要根據(jù)具體情況來決定采用內(nèi)撐模式還是外夾模式。電動夾爪是否閉合以產(chǎn)生包圍感或指尖握力，這將取決于操作模式、零件的幾何形狀與重心、物體的相對位置。使用不同的“操作模式”抓取相同的零件，可能會因?yàn)榱慵奈恢煤蛶缀涡螤畹牟煌鴮?dǎo)致抓取力不同。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖3可知，該系統(tǒng)由6軸機(jī)器人、快換輔助連接裝置、電動夾爪本體及產(chǎn)品等組成。6軸機(jī)器人是搬運(yùn)部件，作用是實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)動作。其作為設(shè)備動作的主體，能大幅度提高搬運(yùn)效率和質(zhì)量[3]；輔助連接裝置是一個(gè)快換結(jié)構(gòu)，作用是把夾爪本體和6軸機(jī)器人連接起來，通過機(jī)器人移動帶著夾爪到不同工作位置；電動夾爪是機(jī)器人的末端執(zhí)行部件，電動夾爪是雙作用的，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的夾取和旋轉(zhuǎn)。

圖3 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)工藝介紹及設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工藝

圖4為取放位置俯視圖。由圖4可知，A是6軸機(jī)器人位置，B是取料位置，C是放料位置。夾爪部件通過輔助連接裝置固定在6軸機(jī)器人頭部。當(dāng)系統(tǒng)給取料位B命令，機(jī)器人移動至取料位B，給電動夾爪發(fā)送取料命令，電動夾爪自動閉合，夾爪閉合完成后，將信號反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)給放料位C命令，機(jī)器人移動至放料位C，在放料位系統(tǒng)給夾爪旋轉(zhuǎn)90°的指令，旋轉(zhuǎn)完成，給電動夾爪松開命令。至此，一個(gè)流程結(jié)束。機(jī)器人再次去取料位B，往復(fù)循環(huán)96次。

圖4 取放位置俯視圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的工作原理，本研究使用工業(yè)電腦（PC機(jī)）作為控制系統(tǒng)，和6軸機(jī)器人采用TCP/IP[4]協(xié)議進(jìn)行通信，發(fā)送指令來完成機(jī)器人的點(diǎn)位移動?？刂葡到y(tǒng)和電動夾爪采用RS485進(jìn)行通信，為了網(wǎng)絡(luò)接口統(tǒng)一，采用485轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換卡來完成夾爪的夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)、初始化等動作，所以控制系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議向電動夾爪發(fā)送命令[5]。

對通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 通信數(shù)據(jù)定義

經(jīng)查閱，項(xiàng)目中電動夾爪的485通信文件，旋轉(zhuǎn)電伺服電動夾爪使用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議，其報(bào)文格式如表2所示。

表2 通信報(bào)文格式

設(shè)備地址：電動夾爪在Modbus-RTU通信網(wǎng)絡(luò)中的從站地址，其范圍為1～247，此參數(shù)可修改[6]。

功能代碼：旋轉(zhuǎn)電伺服電動夾爪支持0x03、0x10等功能碼。

數(shù)據(jù)格式：包括讀寫數(shù)據(jù)的寄存器地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)等。

CRC校驗(yàn)碼：數(shù)據(jù)幀CRC校驗(yàn)碼。

本項(xiàng)目使用含參數(shù)控制模式，則初始化、夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)等動作的通信報(bào)文如下：

1）激活請求，并初始化

→清除并設(shè)置rACT=0，請求：09 10 03 E8 00 01 02 00 00 E5 B8

←收到夾爪回復(fù)：09 10 03 E8 00 01 80 F1

→然后設(shè)置rACT=1，請求：09 10 03 E8 00 01 02 00 01 24 78

←收到夾爪回復(fù)：09 10 03 E8 00 01 80 F1

→讀取夾爪狀態(tài)：請求：09 04 07 D0 00 01 30 0F

←收到夾爪回復(fù)（已完成）：09 04 02 00 31 99 25

2）電動夾爪夾緊，即移動電動夾爪到目標(biāo)位置（以夾爪全力閉合為例）

→請求：09 10 03 E8 00 03 06 00 09 FF 00 FF FF 9E 95

←收到夾爪回復(fù)：09 10 03 E8 00 03 01 30

3）電動夾爪松開，即移動電動夾爪到放置位置（以夾爪全力張開為例）

→請求：09 10 03 E8 00 03 06 00 09 00 00 FF FF AE 81

←收到夾爪回復(fù)：09 10 03 E8 00 03 01 30

4）電動夾爪旋轉(zhuǎn)（以夾爪全力旋轉(zhuǎn)360°為例）

→請求：09 10 03 EC 00 04 08 01 68 FF FF 01 68 01 01 41 30

←收到夾爪回復(fù)：09 10 03 EC 00 04 01 33

4 程序開發(fā)

由于TCP/IP協(xié)議具有經(jīng)濟(jì)性和靈活性[7]，故設(shè)備采用了RS485轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換器，結(jié)合機(jī)器人和電動夾爪的工作原理，交互數(shù)據(jù)定義及電動夾爪的通信格式，使用LabVIEW軟件開發(fā)電動夾爪的通信程序。

首先設(shè)置電動夾爪的LabVIEW和電動夾爪建立通信通道，需要設(shè)置好485轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換模塊[8]的IP地址及端口號。然后采用隊(duì)列方式驅(qū)動程序執(zhí)行，添加“夾爪激活”“夾爪初始化”“目標(biāo)位置”“旋轉(zhuǎn)激活”“旋轉(zhuǎn)初始化”“旋轉(zhuǎn)角度”等命令，目標(biāo)位置和旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定即可。具體程序框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制夾爪程序框圖

根據(jù)工作流程，LabVIEW控制機(jī)器人和電動夾爪完成設(shè)備的動作邏輯，達(dá)到設(shè)備功能來進(jìn)行相應(yīng)部分的程序開發(fā)。具體程序如圖6所示。

圖6 動作邏輯程序框圖

5 結(jié)語

隨著社會工業(yè)自動化程度的加深，電動夾爪的應(yīng)用會越來越廣泛。當(dāng)前，大多數(shù)設(shè)備都是采用PLC來控制夾爪的動作。但是，有些設(shè)備不采用PLC，而是依托于工業(yè)電腦來進(jìn)行系統(tǒng)控制[9]。上位機(jī)軟件LabVIEW是一款常用的工業(yè)軟件，其編程簡單、上手快、開發(fā)效率高，深受自動化控制工程師的喜愛。使用LabVIEW通過RS485協(xié)議通信控制電動夾爪[10]，具有接線簡單、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，其可以根據(jù)客戶需要，采用壓力模式柔性化來適應(yīng)各種尺寸產(chǎn)品，能更好地助力中國自動化行業(yè)的發(fā)展。