双爪机械手的设计与实现*

周 鹏

(汉江师范学院汽车与电子工程系，湖北 十堰 442700)

自动化生产线是制造业大批量生产的主要设备，也是减少制造成本、提高生产效率的手段。机械手能够在危险性大、环境恶劣的场所取代人手完成重复性高的分拣、搬运、装卸等工作，已经成为机械零件制造及装配生产线上必备的单元[1-4]。采用机械传动的机械手，具有定位精度高、维护简单的特点，但是工作对象发生变化或者工艺调整后，机械式机械手就要重新设计；采用液压传动的机械手，具有输出力大、响应速度快的特点，但是技术要求高，维护复杂，一般用于重量较大的锻压件或铸造件的搬运；电气传动机械手具有定位精度高、相应速度快的特点[5]，但技术要求和成本都较高[6]；气动机械手以压缩空气为介质实现能量的传递，具有成本低、流动阻力小、动作迅速、环境污染小等特点，但气体的压缩比较大，气动机械手的定位精度较低。双爪机械手结合电气传动机械手和气动机械手的优点，应用在冲压生产线上，可有效提高上料精度和生产效率。

1 双爪机械手的总体设计

在冲压生产线上，机械手要把板料送到冲压工作台上，完成冲压工序后，再把冲压件搬运到下一个工位或输送带上。板料冲压机床的冲压周期短，运行速度快，机械手需要快速完成上料和下料的工作。为了提高生产效率、减少冲床等待的时间，设计了双手爪的上下料机械手，工作原理如图1所示。

双爪机械手的手臂上带有两个手爪(上料手爪和下料手爪)，随手臂一起运动。冲压完成后，手臂水平左移，到达取料点时，两个手爪均伸出后手臂下降，上料手爪上的真空吸盘吸紧薄板料，下料手爪的真空吸盘吸紧冲压件，手臂上升后两个手爪都缩回，手臂水平右移，到达放料点后，两个手爪都伸出，手臂下降，上料手爪把薄板料放置冲床工作台上，下料手爪把冲压件放在输送带上，输送带启动，把冲压件送到下一工位，同时手臂上升，两个手爪都缩回后，手臂水平左移到工作原点，冲床启动，开始冲压工作。

从系统运行过程可知：上料手爪需要把板料准确放在冲床工作台上，位置精度要求非常准确。除了手爪上真空吸盘的取、放料动作，手爪在工作中还有3个自由度，分别是手臂的水平移动和升降、手爪的伸缩。手臂的水平移动需要有3个固定的位置点：工作原点(上料手爪和下料手爪分别位于冲床两侧)，取料点(上料手爪取薄板坯料，下料手爪取冲床工作台上的冲压件)，放料点(上料手爪把薄板坯料放在工作台上，下料手爪把冲压件放在输送带上)；手爪的伸缩和手臂的升降都是两个固定的位置点。

2 双爪机械手的传动设计

手爪的伸缩和手臂的升降都是在运行方向上有两个固定点的直线移动，采用气缸驱动，活塞杆完全伸出或缩回的位置是固定的，并且缸体两端装有接近开关，能保证动作位置的精确度。

手臂的水平移动有3个位置点，并且准确度要求较高，机械传动和气压传动均不能实现，所以采用能实现多点运动位置要求的电气传动方式，步进电动机转动精确度高(步距角为0.9°或1.8°)，通过同步带(齿形带)把步进电动机的转动转换为直线运动，实现手臂水平位移的准确性。

手爪运动到设定位置后，对薄板坯料(或冲压件)的抓取和投放，均由气动真空吸盘来实现，真空吸盘固定在爪盘上，爪盘上均匀分布宽为13 mm的槽，根据薄板坯料的形状，可以调整吸盘的位置和数量。吸盘手爪的三维模型如图2所示。

3 双爪机械手控制设计

3.1 气压传动设计

双爪机械手手爪的伸缩(上料手爪和下料手爪)、手臂的升降等动作由气缸来实现，气缸的两端都内置有磁环，配合气缸体外安装的磁性开关，能够准确检测气缸活塞的位置。气动工作原理如图3所示。由于气体的压缩比大，气缸在工作中只有完全伸出和缩回两个位置才是固定的，所以采用二位四通的电磁阀控制气缸的动作。真空发生器是利用正压气源产生负压的一种器件，由电磁开关阀控制产生真空(负压)。

3.2 电气控制设计

电气控制以西门子S7-200 PLC为核心，完成对双爪机械手的控制，接近开关、限位开关、按钮等信号直接送给PLC，人机界面是人和机器的信息交换窗口，可以把机械手的工作状态显示出来，例如所搬运的冲压件数量，操作人员还可以根据需要改变机械手的运行参数。上料后机械手回到工作原点位置，冲床才能开始冲压；冲压工艺完成后，机械手才能够开始取件和上料的工作。上下料机械手的控制系统作为冲床控制系统的从站，通过PPI电缆通信，避免干扰和碰撞。PLC控制系统如图4所示。

气动系统的电磁阀采用AC 220 V供电，而西门子PLC数字输出端口电压为DC 24 V，功率只有0.75 W，不足以驱动AC220 V的电磁阀，需要通过中间继电器和直流接触器进行信号转换，如图5所示。PLC的高速脉冲端口和数字端口控制步进电动机的转速、转角和转向。输送带的运行由三相异步电动机带动，PLC的数字输出端口控制变频器的输出频率改变电动机的转速。

双爪机械手系统有12个数字量输入端口，10个数字量输出端口和1个高速脉冲量输出端口，控制器选用西门子S7-200系列(CPU226)PLC作为控制核心，端口分配如表1。

双爪机械手的动作是由3个气缸、2个真空吸盘和1台步进电动机完成，程序设计是根据双爪机械手动作的时序图来完成，用梯形图编制控制程序，方便、直观，还可以在线监控程序的运行状态。西门子PLC中的运动控制功能，能控制高速脉冲的输出数量和频率，完成位移和速度的调节[7]。

4 机械手的调试

为实现机械手动作的完整性，在设计好外围电路和程序后，需要对机械手进行调试，调试分为硬件调试和软件调试两部分。外围电路调试属于硬件调试，主要是线路的搭接，保证传感器检测的数字量信号都能送给PLC控制器，PLC输出数字量信号后，机械手上的气缸和信号灯等元件能完成相应的动作。程序调试属于软件调试，主要是正确实现程序功能。双爪机械手PLC程序的调试采用在线编程调试，V4.0 STEP7 Micro WIN SP3软件中的程序监控功能能够方便地检测到程序的运行状态[8]。

表1 PLC输入输出端口分配

输入输出功能名称端口功能名称端口复位I0.0步进电机脉冲Q0.0启动I0.1步进电机方向Q0.1紧急停止I0.2手臂上升Q0.2手臂原点I0.3上料手臂伸出Q0.3手臂左限位I0.4下料手臂伸出Q0.4手臂右限位I0.5上料吸盘Q0.5上料手爪伸出I0.6下料吸盘Q0.6上料手爪缩回I0.7红色信号灯Q0.7下料手爪伸出I1.0绿色信号灯Q1.0下料手爪缩回I1.1黄色信号灯Q1.1手臂上升I1.2蜂鸣器Q1.2手臂下降I1.3

与传统单手爪搬运机械手相比，双爪机械手的运行效率更高，完成5件冲压件的上下料工作后，单手爪搬运机械手只能完成3件冲压件的上下料，在冲压生产中应用之后能有效提高工作效率。

5 结语

双爪机械手是集机械、电气控制、PLC、气压传动为一体的机电一体化设备。采用运动功能实现步进电动机转速和转角的控制，能准确完成机械手手臂在冲床给定位置上的运动。人机界面能够实时显示机械手的运行状态和搬运的数量，并且根据需求设定搬运冲压件的数量及其他运行参数。双爪机械手搬运速度快，并能随时改变吸盘在爪盘上的位置，完成不同形状冲压件的搬运工作，在冲压生产线上应用之后能提高企业的生产效率和自动化水平。