板材上下料桁架机械手的开发与研究

冯友强

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

0 引言

大部分板材生产的厂家，在生产过程都要对较大的板材进行上下料，如隔热板生产过程、压缩板生产过程等。目前，国内外板材生产线的上下料机构的方式较多，如输送带传输方式、气缸推送方式、吊夹传输方式、多关节机械手传送方式。前两种方式应用场合较受限，功能较小；吊夹传输方式的危险系数较高；而多关节机械手虽然功能较多，也较灵活，但板材输送行程较短，设备成本也较高。

为了能实现这种较大板材的上下料，同时进行较大行程的输送，本文设计了一种桁架结构机械手。此桁架结构机械手增加PLC、触摸屏、传感器、变频器等自动化元件，可以满足用户多功能的要求，从上料到下料过程实现全自动化。同时，针对一些加工板材表面比较粗糙，密度较低，中间有些渗气孔，传统的吸盘无法吸起等不足，还专门研制了一种能吸住表面粗糙且会渗气的板材的吸盘。

1 工艺说明

1.1 板材介绍

近年市场上有一种高温高压隔热板，此隔热板可应用到一些高性能的隔热防火的建筑物及高铁的车箱中。此隔热板是以经膨胀处理的矿物质材料作为主要材料，以水玻璃和复合强化材料为辅助材料，按一定的比例搅拌后倒入模具中加热至高温后挤压而成。其隔热性能、耐压强度和使用在寿命，都远超市场上传统石棉矿棉材料。此板材密度较小，表面的粗糙度较大，所以在吸取过程中会出现漏气，导致一般的吸盘无法吸取这种板材进行操作。现在生产线上生产的隔热板是整板，尺寸一般有2 440 mm*1 220 mm和2 100 mm*900 mm两种。其多张堆叠起来的外观如图1所示。

图1 多张层叠的隔热板

1.2 上、下料工艺

所设计的桁架机械手需要负责板材生产线中的上、下料。板材生产的上、下料的过程为：叉车将图1中叠好的多张隔热板从仓库里运到液压升降平台上（见图2），然后液压平台升降一定的距离，将最上面的板升到吸盘下，之后由机械手下降吸住板，上升并在X轴方向移动约6 m，将板材搬运到下一加工序的入料口。之后，机械手又回到液压升降平台取下一块板材。

图2 取料的外部液压升降平台

2 桁架机械手机械部分设计

2.1 整体结构设计

隔热板的品质随厚度变化不同，一般在20～60 kg，但隔热板的体积较大，且有两种尺寸，设计的结构要能搬运两种尺寸的板，为适应6 m的行程，设计行程要超过8 m。根据上面提到的工艺过程，设计的专用桁架机械手结构如图3所示。机械手主要有两个轴构成，X轴是桁架结构，用方形钢支撑，用齿轮齿条传动驱动上层框架左右移动。对X轴电机的启停控制，上层移动框架可以在X轴的轨道上进行定位。Y轴方向则不可移动。Z轴方向也由电机驱动齿轮齿条传动，下层移动框架可以在Z轴方向任意位置停止，上面还安装了6个吸具，用于吸住板材。桁架的左侧柱子上安装了控制电箱与触摸屏支架，方便操作。

图3 设计的整体机械结构图

在上层移动框架的设计中，在桁架X轴方向的两条横梁侧边安装了齿条，它与电机带动的齿轮啮合实现X轴方向传动，此方向是靠横梁上方的导轨与滑块进行定位的。X轴的动力是一个带减速机的三相异步电机，用铝型材作为基本骨架，然后再配合链条、齿轮、光轴组合装配成一个X轴方向的动力传动机构，详细的结构见图4。

图4 X轴动力传动机构结构图

夹具的下层移动框架的两边安装了两条齿条，下移动框架上则安装了两个与之对应的齿轮，齿轮由一个三相异步电机与减速机驱动，齿轮运行，齿轮转动的同时沿着齿条方向上下运动，从而带动下移动框架沿着Z轴方向移动。同时，下移动框架还安装了四根圆形导柱，用作Z轴的导向。Z轴的支架是以铝型材为基本骨架，一些角件则用不锈钢加工制成，具体装配结构见图5。

图5 Z轴传动机械结构图

桁架机械手通过蜗轮蜗杆减速机实现降速及增加输出扭矩，通过行程开关实现定位。行程开关安装在桁架机械手的横梁两端，在Z轴下层移动框架的铝型材上安装与之对应方向的感应铁块。Z轴极限位置还安装缓冲档块，以防止移动件滑出轨道。当行程限位开关的机械触头触碰到挡块，行程开关内部的开关逻辑状态切换，断开了（或改变了）控制回路的连接，PLC接收到相对应的输入信号，就由PLC发出指令终止或改变桁架机械手运行状态。

2.2 夹具设计

一些加工板材表面比较粗糙，密度较低，中间有些渗气孔，传统的吸盘会产生漏气无法吸起，为此采用了一种允许一定程度漏气的吸盘来代替机械手的夹具。使用铝型材制作了一个吸盘框架（见图6），吸盘框架与下层移动框架通过直角连接板连接在一起。在机械手移动过程中，隔热板会发生轻微的晃动，为此设计了6个吸盘来增大板材受力面积，并增加了缓冲机构，使它在到达目标位置附近时不会因为突然停止而刹不住，和减轻移动过程中产生的晃动。

图6 吸盘框架结构图

6个吸盘是防漏气设计，给吸盘接上大流量的真空泵，即使产生的部分漏气，吸盘内部也能产生一定的负压，可以吸住板材，不会从架子掉落。

2.3 机械元件选型

机械手的主梁材料选取14#冷轧方钢与矩形钢，Z轴支架选取工业铝型材，以减轻下移动框架的质量和保证在调试及维护时方便拆装，定向采用燕尾型直线导轨，在电机输出侧，采用链条传动。详细的型号与数量见表1。

表1 桁架机械手主要机械部件清单

3 电气设计

3.1 电气线路设计

主电路设计，车间上的主电源供应的是三相380 V的交流电，由断路器QF1控制主回路的通断，见图7机械手主电路图。其中第一分支主电路是真空泵M1的驱动，此泵为5.5 kW的真空泵，由断路器QF14对电机进行保护与开关控制，电机的通断由接触器，KM11与KM12控制，KM11接通泵正转，KM12接通泵反转，用于吹掉吸盘上的灰尘。主电路中第二个支路是控制液压升降平台的液压泵。而第三支路是通过变频器AF1驱动X和Z轴的两个1.1 kW三相异步电机，此变频器只能分时段控制两个电机M2与M3，分时段控制是分别由接触器KM4和KM3通断进行实现。

图7 机械手主电路图

在控制电路上，PLC为主要控制器，Y0连接变频器的MI1，为正转信号；Y1连接变频器的MI2，为反转信号。Y0与Y1的公共端是COM0与COM1，此公共端要接到变频器的PC端，才能形成回路。而Y2-Y7是由外部开关电源的DC24V供电，驱动中间继电器，再由中间继电器控制各个接触器，详见图8控制电路图。Y2与Y3是控制KA8与KA10，这两个中间继电器是控制液压升降平台的上升与下降的电磁阀。Y4与Y5是控制X轴电机与Y轴电机的中间继电器，由于变频器功率较小，只能在一个时间段控制一台电机，所以X轴与Y轴的电机不能同时得电，要进行互锁。而Y6与Y7则是通过控制KA2与KA7，实现真空泵正反转的控制。

图8 控制电路图

3.2 电气元件选型及电柜布局

在本节中，将详细的介绍在该系统中所使用到的电气元件。电气选型上要参考几点：（1）与主产线设备要统一，方便用户统一管理，也方便调试；（2）电气元件的质量要有保障，由于生产工艺的特点，生产现场尘埃比较多，电气元件的防尘等级要较高；（3）电气元件尽量用国产的，国产的元件主要采购时间较短，同时也为了支持民族产业。是生产现场电气部分如表2。

表2 主要电气元件清单

由表2中的各类电气元件安装到一个500 mm*600 mm的控制箱里，断路器与PLC布置在电箱的最上端，变频器、中间继电器，接触器在中间，接线端子与热继电器在最下端详细见图9控制电柜布局。为了减小主电路对控制电路的电磁干扰，左边线槽是放置380 V的主电路电线，右边线槽是放置24 V的控制电路的电线。

图9 控制电柜布局

4 软件设计

4.1 编程软件环境介绍

PLC（可编程控制器）以其可靠性高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便三大特点，迅速占领了工业生产自动化领域，成为工业自动化领域的强有力工具[1]。本控制系统的PLC选用的是三菱的FX3S，编程软件要用其配套的软件，现在已推出较新的编程软件是GX_Work2，其是三菱电机公司研制的新一代PLC所使用的编程软件，支持简单工程（Simple Project）和结构化工程（Structured Project）两种编程方式，由于编程工程量不大，采用简单工作编程方式进行编程。

此 PLC支持 SFC编程方法，SFC（sequential Function Chart）是一种较为新型的、贴近工艺流程的进行编写程序的图形编程语言，常称它为顺控图。正因为它有着按照工艺流程动作顺序来进行编制程序的特点，并且也直观，贴近实际生产流程，不像传统的梯形图那样凌乱，因此在自动化设备的PLC编程语言中能脱颖而出。桁架机械运动过程属于顺序控制，工作流程的步骤性较强，所以此机械手使用SFC编程方式。同时，此编程方式的程序可读性最强，在调试及排查故障进也较为方便。

4.2 PLC程序分析

PLC编程的第一步就是对PLC外围IO点进行分配，分配要注重两点：（1）按PLC的输出点的特性进行分配，如X0，X1是高速计数点，可以对高速脉冲进行计数，一些模拟量信号必须接到PLC模拟量的输入点；（2）按设备进行IO分组，同一个设备的点安排到相邻的点，这样方便接线，也方便管理，具体见表3。

表3 PLC I/O分配表

PLC编程用的是SFC编程方法，此方法较为直观，也比较接近流程图。顺序功能图是一种描述顺序控制系统功能的图解表示法，也称为流程图，主要由“步”、“转移”及“有向线段”等元素组成[2]。SFC 主要由步、有向线段、转换、转换条件和动作，或命令组成[3]。根据控制工艺与编程语言的特点，画出了下面图10的流程图。

图10 程序流程图

设备切换到自动状态后，Z轴在上料则自动下降到低位，等待1 s吸取板材物料，吸住后上升；又等1 s，之后X轴右移，到达X轴右端，Z轴下降，等1 s后放下物料；放完物料后，吸具沿Z轴上升，并沿X轴回归到原点。机械手就是这样进行循环工作。

4.3 人机界面设计

人机界面是用触摸屏，用的是威纶通品牌，开发软件也用其专用的软件EasyBuilder Pro进行触摸屏程序的开发。触摸屏主要设计了两个页面。具体见图11与图12。

图11 手动界面

图12 自动界面

人机界面分为两种状态，分别为手动状态和自动状态。在批量生产时，使用无人操作的自动模式，只在屏上设定好机械手的等待时间和吸取的板数，设备就可实现无人操作。手动模式主要针对的是设备各机械部分测试和少量产品的动作。

5 控制系统调试及结果分析

设备在车间组装成各大部件，每个部件调试好后，再将各大部件运到用户工厂现场，与总生产线对接，将各大部件组装成整个机械手。组装好的机械手见图13。

图13 组装后的机械手

整体安装好后，首先要进行静态测试，每个吸盘可以承重20 kg，吸盘支架一共可以承重120 kg，达到设计要求。之后作动态测试，X轴方向移动框架运行正常，振动较小，电机没有出现过载现象，Z轴也测试也正常。最后对整个运作过程进行测试，能按图14的步骤完成一个周期的运行。

图14 设备整体调试过程

在设备调试过程中，根据现场情况，对设备进行了小部分的改进：（1）为了降低成本于是采用了一个变频器拖两台电机；（2）由于上框承受不了机械手自身重量，于是后期增加多一层铝型材以提高承重能力；（3）由于Z轴不在重心点出现了偏斜的情况，于是更改了Z轴吊框的位置，使机械手处于平衡状态；（4）机械手X轴的快速移动时会出现摇摆现象，于是降低了X轴移动速度。经过分析与改进后，设备基本正常运行，之后经过两个多月的试生产运行，出现三次故障，经过简单的排查与维修就能恢复运行，整体还算比较稳定。生产速度是80 s一张板，速度大于生产线的后段的生产速度，基本达到要求。这自动化桁架机械手，丰富了板材生产行业的板材输送方式。

6 结束语

设备在一些应用场合中可以加入机器视觉系统，与光电传感器一起检测入口的升降台与出口的输送带是否有料，这样设备运行更稳定。此外还可以检测到板材的位置，可实现更精确的定位；也可检测板材的表面情况，如裂痕，污迹等，可以起到检测的作用。X轴与Y轴也可以用伺服电机驱动，这样成本会高些，但是控制精度会好些，可以应用到精度要求高的场合。