机械手智能物料搬运装置及其控制系统的设计

摘 要：随着工业生产逐步向自动化、智能化方向发展，工业机器人开始得到普遍应用，以机器人代替人工生产，不仅可以提高生产效率，减少失误，还能有效降低工人的工作强度。机械手作为机器人的分支之一，在工业生产中可以负责搬运、分拣等工作，对于生产企业而言，规模化应用智能机械手可以有效降低人力成本，有助于促进企业的转型升级。为此，主要研究了一种低成本、高效的机械手智能物料搬运装置及其控制系统，以期推动智能机械手在各个领域中的推广使用。

关键词：智能化;机械手;控制系统;PLC;物料搬运

0 引言

物料搬运作为工业生产中的重要环节之一，搬运效率及准确率会对生产产生直接影响。传统的人工分拣、搬运方式已经很难适应当前工业生产的要求，以机器人代替人工搬运是必然的发展趋势。采用智能机械手代替人工分拣、搬运物料可以最大化满足当前的生产需求，智能机械手不仅可以适应多种复杂环境，还能持续不间断地进行工作，在效率及成本方面要远优于人工搬运模式。

1 机械手智能物料搬运装置总体结构设计

本文所研究的机械手智能物料搬运装置主要功能是负责搬运物料，因此在总体结构设计上相对简单，其主要由3个核心部分构成，分别是机械手、控制系统以及驱动装置。

驱动装置是机械手装置的核心构成之一，主要负责为机械手提供动力源，推动机械手完成既定的分拣、搬运动作。目前，使用比较广泛的驱动方式主要有3种，分别是液压驱动、电机驱动以及气动驱动，这3种驱动方式目前都比较成熟，可以适应机械手智能物料搬运装置的驱动要求，具体可以根据实际需要进行选择，包括对功率、稳定性、控制性能的要求等[1]。

液压驱动的输出功率比较大，驱动装置结构相对简单，可以快速对控制指令做出反应，可以实现无级调速，驱动装置整体体积小，不需要占用较大空间，但是在运行过程中噪声相对较大。此外，液压驱动装置对于使用环境有一定要求，因为液压油易泄漏，因此洁净度要求高的环境、存在易燃物品的环境不建议使用液压驱动装置，具有一定的安全隐患。

电机驱动可以实现高精度控制，功率输出比较大，反应速度快，比较适合一些控制精度高、需要持续大功率输出的工作场合，并且电机驱动的结构比较紧凑稳定，工作过程中不会产生较大的噪声，运行效率比较高，是目前应用最为普遍的一种驱动方式。

气动驱动装置的整体结构简单，对控制指令的反应动作也比较敏捷，总体上性价比比较高，但是由于气体被压缩之后变化比较大，系统稳定性不足，装置的缓冲能力较低，难以实现高精度的控制[2]。此外，气动驱动装置的结构较大，运行过程中会产生较大噪声，对于控制精度要求较高、噪声要求较小的生产环境不建议采用气动驱动装置。

2 机械手关键结构设计

2.1    机械手臂结构设计

机械手臂是机械手的核心构成，关系到机械手是否可以顺利完成搬运操作，笔者所设计的机械手臂如图1所示，整体结构是平行四边形，可以使抓手保持水平状态。由于机械手臂是主要负载部位，因此对于刚度以及强度的要求较高，需要确保机械手臂在长时间的持续工作中不会出现断裂、变形等问题，同时机械手臂本身的质量不能过大，否则会影响到机械手搬运操作的效率[3]。本设计中采用的是工业铝型材，此类材料强度大密度小，机械性能良好，比较轻便，作为机械手臂的材料比较适合。

机械手在运行过程中机械手臂关节部位的活动最为频繁，因此，在设计上需要具备较高的稳定性、灵活性，可以在高强度的运行中保持较长的使用寿命[4]。在设计中采用的是轴承连接，以此增加手臂结构的灵活性，使得机械手在执行操作指令时反应更加灵敏，操作更加顺畅，避免出现卡顿情况。

2.2    机械抓手结构设计

机械抓手是机械手实现抓取操作的主要构件，是与物料直接接触的部分，在对机械手下达操作指令后，机械抓手需要完成抓取动作，并且保持稳定，搬运至指定位置。机械抓手与人手存在极大差别，具备部分人手功能，在设计机械抓手时需要考虑到搬运物料的质量、大小、被抓位置、搬运环境等多种因素，不同的结构形式具有不同的特点，目前比较常见的机械抓手是气吸式、钳爪式以及电磁式等。按照使用要求，本设计中采用的是钳爪式机械抓手，其主要结构包括传力结构以及手指部分。

3 机械手驱动装置设计

在本设计中，考虑到实际使用要求以及使用环境要求，决定采用电机驱动装置，关于驱动装置的设计与选择主要涉及两方面，分别是电动推杆与步进电机。

3.1    电动推杆

电动推杆是机械手主要的驱动装置，直接关系到机械手是否可以将物料搬运至指定位置，如果推力不足，则机械手无法完成搬运操作指令;如果推力过大，则会导致资源浪费。因此，在电动推杆的选择上要综合考量，推杆的最大推力要略高于负载，这样才能保证机械手完成搬运操作。在本设计中采用的是LFHB系列推杆，最大推力600 N，工作电压24 V，空载速度20 mm/s。

3.2    步进电机

目前，比较常用的主要是永磁式步进电机、混合式步进电机以及反应式步进电机3种，其中永磁式步进电机无法实现高精度操作，反应式步进电机运行过程中噪声较大，因此，在本设计中采用的是110BYG350D混合式步进电机。由于步进电机无法识别脉冲信号，难以直接被PLC控制，因此需要选择配套的驱动器，以便实现自动化控制，在本设计中采用的是3ND2283步进电机驱动器。

4 机械手控制系统设计

在本设计中机械手控制系统采用PLC系统，这主要是由于PLC性能优良，整体上性价比高，可以适用于比较复杂的生产环境，具有较强的抗干扰能力，并且编程方法比较简单，上手容易，系统体积较小，不会占用太大空间，而且耗能也比较低[5]。本设计采用的是三菱公司近几年的PLC FX2N系列，此系列PLC产品无论是软件还是硬件的兼容性都比较好，功能齐全，且尺寸不大，空间利用率较高。

在实际运行过程中，由PLC系统控制机械手运转，首先PLC通过驱动器向步进电机下达指令，开始供电，然后向电动推杆输送指令，推杆开始伸长，机械手臂下摆，做好抓取物料的准备，最后PLC向机械抓手下达抓取指令，完成物料搬运过程。

5 结语

本文设计了一套智能化、自动化的机械手搬运装置，实现了对物料的自动化搬运。本设计整体上结构比较简单，驱动装置选择电机驱动装置，可以有效满足物料搬运的动力要求，以PLC作为控制系统，可以实现自动化控制，考虑到实际使用过程中的多种因素，机械手臂及机械抓手的设计选择工业铝型材作为主要材料，各方面性能优良，符合使用要求。

[参考文献]

[1] 陈祥龙，刘恩昌，姚文博.基于Arduino全自动化物料搬运机器人的设计与优化[J].数码世界，2019（4）：120.

[2] 葛佳佳，陈峰.基于PLC技術的机械手控制系统设计[J].工业控制计算机，2015（2）：114-115.

[3] 成经平，孙颖.气动搬运机械手的设计及其应用[J].湖北理工学院学报，2016，32（5）：1-3.

[4] 修学强.基于ATmega16与AtmelStudio6.0的数控六角车床搬运机械手的设计与控制[J].机床与液压，2015（3）：99-103.

[5] 张帅，杨惠忠，卿兆波.基于PLC的2-DOF并联机械手控制系统设计[J].制造业自动化，2016，38（10）：100-104.

收稿日期：2020-01-07

作者简介：李江涛（1998—），男，河南驻马店人，研究方向：机械设计制造及其自动化。