石板材自动上下料机械手设计与研究

王 铮，王志辉

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

近年来我国石材制品的需求量逐年上升，尤其作为建筑用的饰面石板材需求量占比最大。这对于石材制品的加工质量与效率提出了更高的要求[1-2]，但目前国内石板材的上下料及运送设备还处于自动化程度较低的水平，甚至一些石板材加工企业仍采用人工搬运，严重影响生产效率。

笔者设计的石板材自动上下系统通过PLC控制，可根据导轨长度调整移动范围，实现板材的抓取。其抓取部分考虑到石板材作为饰面石材具有一定脆性，不适用于刚度较大的夹持装置，因此采用真空吸附式机械手实现石板材的抓取。抓取机构完成板材抓取后，运送机构将板材输送至连续磨机进行板面研磨抛光。机械手三维装配图如图1所示。

图1 机械手装配图

1 抓取结构

机械手抓取结构主要由真空吸盘、真空发生器、吸盘架组成。真空发生器放置于吸盘架横梁内，通过尼龙管与吸盘进/排气口连接。真空吸盘组呈矩阵式对称排布，保证对板材形成均衡的吸附力。当真空发生器供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内气体，使该腔形成很低的真空度，在真空口处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体[3-5]。真空发生器原理如图2所示。

图2 真空发生器原理

1.1 真空吸盘选型计算

本设计中石板材尺寸为2 m×3 m，厚度为15～40 mm，板材的密度为ρ=2 790～3 070 kg/m3，取单块板最大质量M=736.8 kg，垂直起吊。

(1)计算吸盘直径。吸盘直径如式(1)所示。

(1)

式中：D为吸盘直径；S为安全系数，水平起吊时S=4，垂直起吊时S=8；P为真空压力；n为吸盘个数。由实际加工需求确定的吸盘选型计算参数如表1所示。

表1 吸盘选型计算参数

根据式(1)计算得D=208.134 mm，D表示的是吸盘结构的外径，当利用真空压力吸附物体时，会使橡胶吸盘变形，吸附面积减小[6]。虽然安全系数中包含了变形部分，但在设计时需留出余量，因此吸盘直径取整为D=210 mm，则吸盘因真空压力变形后对板材的有效吸附面积A=34 636 mm2。

(2)计算理论吸附力。单个真空吸盘的吸附力与板材面的摩擦力即为吸附物体的吸附力。

F=0.1μ·A·P

(2)

式中：F为吸附力；μ为摩擦因数，μ=0.45；A为吸盘有效吸附面积；P为真空压力。

吸盘个数24，故总吸附力为24.315 kN。

总吸附力大于板材重力，设计合理。真空发生器选取XFK-04直排系列真空发生器。在三维空间中机械手达到指定位置实现目标物体的抓取，要求构件的形状、尺寸、重量满足合理的设计参数，提高整体系统稳定性。吸盘架由2根长空心梁及3根短空心梁组成。24个吸盘分为4组安装在4个结构钢板上。机械手抓取机构如图3所示。

图3 机械手抓取机构

1.2 真空基本控制回路

真空基本控制回路由空压机、电磁阀、真空发生器、节流阀、压力继电器、过滤器及真空吸盘组成，如图4所示。空压机压缩空气，电磁阀2通电且电磁阀3断电时，压缩的空气进入真空发生器产生真空，当真空压力达到65 kPa时压力继电器通电，吸盘工作抓取板材。当机械手到达指定工位时，继电器1断电且继电器2通电，此时真空发生器停止压缩空气导致吸盘与板材之间的真空被破坏，板材与吸盘脱离。

图4 真空基本控制回路

2 运送机构及液压缸动力执行机构

2.1 运送架设计

机械手的运送机构由输送辊、驱动组件和输送架组成。输送架的结构尺寸依据板材尺寸设计为长3 100 mm×宽3 100 mm，输送架翻转角度范围为0～120°，输送辊与驱动组件安装于机架上。6根输送辊等距安装于输送架，直径d=85 mm。由于输送辊主要是转动输送板材，径向压力主要是来自板材重量，因此选用7909角接触球轴承，基本额定载荷为16 000 N。输送辊转速范围0～0.1 m/s。输送架结构如图5所示。

图5 输送架结构示意图

运送架作为承载板材运送及翻转运动等作用的机构，承受较多的压力和转矩，因此通过有限元对结构的安全性进行分析，确保机械手工作过程中的刚度与强度。首先对运送架进行网格划分，设定网格大小为5 mm。通过ANSYS计算，得到输送架的位移云图及压力分析图，如图6所示。

图6 输送架位移云图及压力分析图

运送架在工作时，通过安装在行走机构上的液压缸推动运送架进行翻转，力集中在在输送架横梁与液压缸铰链连接处，以及运送架底端与小车铰接处。搬运板材的重力G=9 800 N，液压缸杆推力方向与XZ平面夹角16°，可知液压缸输出的推拉力约为F=73 500 N，转化为Z轴与Y轴方向的力大小为Fy=20 259 N,Fz=-70 653 N，最大应力主要分布在运送架与行走机构铰支连接处，为323 MPa，运送架材料为Q235结构钢，其许用应力为375 MPa，结构设计符合要求。由位移云图可知，运送架形变主要在顶端横梁，受推力和扭矩引起，其最大形变量为0.01 m，对整个运送架结构几乎没有影响，因此设计符合要求。

2.2 液压缸执行机构

这里采用液压缸作为动力执行元件，提供吸盘架升降、伸缩及输送架的翻转。输送架翻转通过安装在底座平车横梁上的液压缸提供动力，由安装在输送架与底座平车连接转动部分角度传感器调节翻转角度大小，如图7所示。

图7 液压缸-角度传感器翻转机构

选择液压缸作为执行元件可免去减速装置，且无传动间隙，运动平稳。液压缸输出力也较大，广泛应用于重型机械的往复运动。根据不同压力等级下各缸径/杆径对应理论推(拉)力表，取压力等级为16 MPa，缸径D=80 mm，活塞杆径d=55 mm的HSGL系列单杆活塞式液压缸。液压缸推力80 kN，拉力为42 kN。液压缸与输送架、底座横梁铰支安装，行程为500 mm。液压缸杆伸缩时由角度传感器将输送架转动角度信号传递给PLC控制系统，PLC系统控制液压缸进出油流量实现对活塞杆的伸缩长度控制。吸盘架升降及伸缩液压缸，与输送架翻转液压缸受同一液压站控制。液压站选用一拖四YZA2-19-15，制动器ST40SH为3个液压缸供压。吸盘架升降液压缸与伸缩液压缸选取压力等级16 MPa的HSGL系列，其缸径D=40 mm，活塞杆径d=20 mm。

3 吸盘架伸缩连杆机构

吸盘架平面与机械手输送架平面在空间上是平行关系，伸缩缸不便安装于吸盘架与输送架之间。工程机械中常用到连杆机构来获得规律运动，笔者在已知吸盘架尺寸参数及运动规律的情况下，从运动实现的角度上选取连杆机构来传递动力。吸盘架伸(缩)时平面图如图8所示。

图8 吸盘架伸(缩)时平面图

已知吸盘架在Y方向伸缩，吸盘架相对于XZ面做平面运动，伸缩行程为175 mm，因此采用双摇杆机构来实现此运动规律。双摇杆机构中两根连架杆都是摇杆，且两摇杆长度相等并最短，形成等腰梯形机构。双摇杆机构运动简图如图9所示，在图9中主动杆为与伸缩液压缸连接的杆1，吸盘架伸出XZ平面75 mm时，液压缸活塞杆伸出，将杆1推至B1点，杆1与XZ面呈125°；吸盘架缩回XZ面100 mm时，液压缸活塞杆收缩，将杆1拉至B2点，杆1与XZ面呈110°。

图9 双摇杆机构运动简图

吸盘架中的杆2长2 250 mm，连架杆1与杆3长250 mm，上下两根连架杆设计成L型，一端与杆2连接，另一端与吸盘架上的杆4、杆5连接，如图10所示。吸盘架上下杆4与杆5有I型连接头，I型连接头长为200 mm，I型连接头结构是避免吸盘架升降缸在提升板材时Z方向的长度不足。因此连架杆总长度为450 mm，它是连架杆1长度与I型连接头长度之和。实际转动角度由伸缩液压缸活塞杆伸缩长度决定，转动范围110°～120°。

图10 连杆机构

4 机械手行走机构

行走机构的作用是将机械手移动到指定位置进行板材的抓取并返程，最大速度为1m/s，机械手总重量约为7 200 kg。目前常用的低速重载行走机构主要是机械传动式，其中传动链应用最广[7]。由安装在底座平车的直流调速电机通过链轮减速机构带动机械手移动。

已知底座平车负载F=70 560 N。速度v=1 m/s，功率P=70.56 kW。采用ZCF-22直流大功率电机，功率100 kW。导轨轮直径D=80 mm，转速为n=238 r/min。选取链节数92，中心距为1 615 mm的40A-1型链轮，链条节距为p=50.8 mm。传动链大链轮与前排支撑型滚轮轴连接，小链轮与电机装配于底座平车横梁，行走机构如图11所示。

图11 机械手行走机构

5 机械手工作流程及控制方案

机械手的控制系统采用PLC能够减少大量的硬件接线、时间继电器、中间继电器等，提高系统自动化程度，还能提高控制系统的可靠性[8-9]。PLC采用西门子S7-300系列，机械手的运动控制主要有5种，其生产线布置如图12所示。

图12 机械手生产线布置

(1)生产线Y轴方向的行走控制。机械手由板材输送工位A0，移动至板材抓取工位A1，完成抓取后由A1工位返回至A0工位进行板材的输送。

(2)Y轴方向的吸盘架伸缩控制。机械手移动到A1时，吸盘架伸缩液压缸工作将吸盘架伸出XZ平面准备吸取板材。当机械手回到输送工位时，真空吸盘将板材放开，同时伸缩液压缸将吸盘架收缩等待下一次抓取。

(3)Z轴方向的吸盘架升降控制。当真空吸盘完成板材的吸取时，吸盘架升降液压缸工作，将板材提起脱离待加工架。

(4)输送架YZ平面的翻转控制。机械手将板材由A0移动至A1时，翻转液压缸将输送架推至设定的抓取角度，完成板材抓取回程时，液压缸将输送架拉回XY平面等待输送。

(5)生产线X轴方向的输送控制。当机械手回到A0时，输送伺服电机工作驱动输送辊，把板材输送至连续磨机。机械手控制流程如图13所示。

图13 机械手控制流程图

6 结论

石板材自动上下系统在设计上采用了真空吸附技术，集合了石板材的抓取与运送，通过角度传感器与活塞杆液压缸实现机械手翻转，翻转角度可根据板材竖直放置角度调整，最大翻转角度为120°。行走机构电机与运送电机可根据实际生产需求调整工作速度。活塞液压缸作为执行机构保证了工作的稳定性且输出力很大，可搬运重量较大的板材，避免人工搬运费时费力的情况。笔者设计的机械手结构自动化程度高，可以有效提高石板材加工生产线的效率。