机电一体化技术在搬运机器人机械手设计中的应用

张晋

摘 要：本文设计了基于机电一体化技术的搬运机器人机械手。机械结构原理为电磁阀控制液压缸实现机械手升降运动，外部线圈控制电机运转实现小车进退运动。动作转换时，设置在不同部位的行程开关产生通断信号并将其传输到PLC控制器，驱动外部线圈控制电机产生动作，实现机械手精确定位。动作包括升降、进退等，操作方式包括手动、连续等，满足生产操作要求。

关键词：机电一体化技术;搬运机器人;机械手设计

中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0075-03

Abstract： This paper designed a handling robot manipulator based on mechatronics technology. The mechanical structure principle is that the solenoid valve controls the hydraulic cylinder to realize the lifting movement of the manipulator， and the external coil controls the operation of the motor to realize the forward and backward movement of the trolley. When the action is changed， the travel switches set in different parts generate the on-off signal and transmit it to the PLC controller， and drive the external coil to control the motor to produce the action， so as to realize the precise positioning of the manipulator. Actions include lifting， advance and retreat， etc.， and operation modes include manual， continuous， etc.， to meet production operation requirements.

Keywords： mechatronics technology;handling robot;manipulator design

近年來，电子产品制造业劳动力成本不断增加，企业职工工资水平不断提高。目前，中国电子产品待加工企业利润为8%。工人工资水平提高，加大了企业用工成本负担。人力成本受到企业的普遍关注，随着人力资源成本的提升，企业迫切需要利用工业机械手取代人工劳动。

人工搬运是传统的搬运方式，劳动强度大，人力成本高。当前，企业可以引进机械手代替人工劳动，机械手能提高搬运效率，降低人工成本。现阶段，大部分国产机械手使用PLC控制系统，国外搬运机械手控制系统性能优越，但价格昂贵，中小型电子加工企业无法承受成本负担。因此，开发经济的控制系统具有重要意义。

1 机械手控制系统的研究

机械手是能模仿人手臂某些动作，按固定程序抓取操作工具的自动操作装置，可实现生产机械化，在有害环境下保护人身安全，广泛应用于机械制造等领域。机械手由手部、手臂和躯干等部分组成，手部抓持工件，根据物件形状要求有多种结构形式，运动机构使手部完成转动或复合动作实现规定动作要求[1]。

机械手自由度高，通用性强，按运动轨迹控制方式分为点位与连续轨迹控制。机械手通常作为机床附加装置，有些操作装置仍需要人工操作。1958年，美国研制出世界上首台机械手。日本在引进美国机器人控制系统技术的基础上自主创新，使得机器人控制系统技术飞速发展。2000年，日本在工业机器人上应用嵌入式技术，使得机器人更加智能。日本研发的Yaskawa Motoman为双臂高性能控制系统机器人，机器人控制系统具有快速响应能力，突破以往6个轴运动的限制，使机器人在有限空间内完成复杂动作。

2013年，ABB公司将视觉技术应用于机械手，通过图像传感器采集外界环境信息，经图像预处理技术实现对工件的准确检测。高清摄像头安装在固定位置，实现对机械手的自由度控制。美国橡树岭国家实验室研究了机器人相互通信，成功将多传感器技术等复杂技术应用在机器人上，在机器人协调方面取得显著进展。国外机器人控制系统大多基于嵌入式系统，能实现多轴控制，并将机器视觉技术融入机器人控制中，机器人间根据协议通信。我国机器人控制系统技术相对落后，近年来，机械手控制系统快速发展。将ARM+经济型串口屏相结合，设计机械手控制系统，这种方法具有价格低廉的显著优势。

2 工业搬运机械手的应用发展

生产机械化成为现代工业的主题，专用机床是量产自动化的有效方法，数控机床等自动化机械是解决多品种量产自动化的重要方法。目前，大量装卸作业有待实现机械化。美国生产工业零件时，有75%为小量产，零件在机床上的加工时间占生产时间的5%[2]。

工业机械手为实现工序自动化而生。机械手动作灵活多样，适用于变换生产品种的批量自动化生产，国内外工业机械手主要应用于冷热加工、拆修装方面。热加工作业于高温环境，工作量大，为提高工作效率，其可以采用机械手操作。冷加工也可以使用机械手，成为机床上下工序连接的重要手段。拆修装是铁路系统体力劳动较多的部门，目前采用机械手装卸轴箱等减轻劳动强度。随着计算机技术等在机械手中的应用，工业机械手成为工业生产中提高生产效率的重要手段。

机械手在工业中的应用可以提高生产自动化水平，改善劳动条件，减少人力成本。应用机械手有利于提高材料传送、刀具更换等的自动化程度，加快实现工业生产机械化，避免人处于高温、高压、噪声等场合，降低人手操作危险。机械手可代替人安全完成作业，避免操作疲劳造成人身事故。其逐渐由专用机械手朝通用机械手的方向发展，智能机器人涉及多门专业知识，是综合性强的新技术。目前，国内外非常重视发展通用机械手技术，相关研究非常活跃，品种不断增加[3]。

国内工业机械手主要用于机床加工、热处理等方面。我国要扩大机械手应用范围，重点发展热处理机械手，应用专用机械手的同时发展和研制计算机控制机械手。

3 PLC在搬运机械手中的应用

工业机器人由操作机、伺服驱动系统等构成，是自动控制、能在三维空间完成作业的机电一体化生产设备，适用于多品种柔性生产，对提高生产质量、改善劳动条件起到重要作用，其综合了计算机、人工智能等多学科技术，应用日益广泛[4]。

机器人应用是一个国家工业自动化水平的标志。机器人是综合人的特征的拟人电子机械装置，有机器可长时间持续工作的能力，具有人对环境状态快速反应的能力，是机器化的产物，是先进制造技术领域的重要自动化设备。机械手是模仿人手部动作，按给定程序要求实现自动抓取的自动机械装置。工业生产中应用的机械手为工业机械手，应用机械手可提高生产自动化水平，保证产品质量，意义重大。机械手在机械加工、热处理、交通运输等方面应用广泛。随着技术的发展，通用机械手出现，可快速改变工序，其在不断变换生产品种的小批量生产中应用广泛。

可编程控制器（PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术等发展起来的通用工业自动控制装置，因其显著优点在冶金等领域得到广泛应用。PLC问世前，工业控制领域由继电器主导，传统继电器控制具有结构简单的优点，但控制装置体积大，耗电多，其靠硬件连线构成系统，生产工艺改变时接线和控制盘需要更换。PLC应用领域广泛，近年来，PLC性价比不断提高，广泛应用于机械、化工、电力等行业。PLC控制类型主要包括逻辑控制、模拟量控制、工业机器人控制等。逻辑控制是PLC最广泛的应用，PLC逐渐取代继电器控制。PLC通过模拟量I/O模块实现模拟量与数字量转换，现代PLC具有很强的数据处理功能，可与机械加工数字控制紧密结合。

PLC具有可靠性高、控制系统构成简单、使用方便等特点。PLC可在恶劣环境（如电磁干扰、机械振动等）条件下可靠工作，无故障间隔时间长，其采用软件编程实现控制。PLC可用于开关量与模拟量控制，可用于组成多级控制系统，采用半导体集成电路，功耗低。机械手通常应用于动作复杂的场合代替人工重复操作，普通继电器常用于动作简单的电气控制，PLC具有控制性能好、系统构成简单、体积小等优点，适用于动作复杂的电气控制。

4 搬运机器手控制系统设计分析

搬运机械手工作原理是X轴电机将动力传至X轴丝杠滑台机构，Z轴电机将动力传至Z轴丝杠滑台机构，机架绕基座旋转，电磁铁为执行器，吸附电子元器件夹具。搬运机械手工作时，首先点击触摸屏复位按钮，驱动模块接收主控单元模块复位指令，吸附工作台注塑前的电子元器件夹具。

为防止电子元器件夹具与工作台相撞，机械手上升至一定位置，驱动Z轴电机使机械手运动到注塑机固定位置，电磁铁失电，机械手按原路返回，吸附工作台电子元器件夹具。搬运机械手运用平行四边形机构，为方便机械手控制，人们需要求出末端位置。其间可以推导机械手位姿矩阵，对生产线搬运机械手进行矩阵分析。通过将X、Y方向加速度合成，末端机械手加速度为径向滑块移动加速度的[λ]+1倍，搬运机械手加速度被线性放大。

X軸电机最大速度为150 r/min，U轴电机最大速度为10°/s，通过ADAMS分析软件进行选型验证，步进电机相数有2相和5相。人们需要根据转矩选择步进电机型号，分析得到X轴转矩图和U轴转矩图。U轴所需转矩最大约为0.75 N·m。在实际工程中，人们需要考虑一定余量。经确定，X轴电机型号为U12442-25-0404A，V轴电机型号为U12442-25-0404A，Z轴电机型号为U12442-40-170A，U轴电机型号为U12457-76-3304A。

5 基于机电一体化技术的搬运机器人机械手设计方案

搬运机器人机械手系统由本体、执行机构、监测系统等部分组成。本体支撑手臂腕部，驱动系统向执行元件提供动力。控制系统为自动搬运系统指挥中心，可存储各种指令，向执行元件发出指令。监测系统检测执行系统所处位置。

控制系统根据反馈信息发出调整动作信号，端拾器是夹持工件的移动夹具，常见端拾器有吸附式、仿人式等。搬运机器人机械手需要通过升降、左右移动等过程完成工作，松紧等需要一定延时。搬运系统动作，按下启动按钮，传感器到取料点取料，按示教器指定路线行走，到加工点放料，返回原点等待搬运。接收到传感器信号后，重复动作。按暂停键停止运行。运行期间，若急停按钮动作，则停止系统运行，另外，可按复位键复位。工业机器人是自动搬运系统的重要部分，从自由度、手部最大负重等关键参数考虑，选取Fanuc工业机器人搬运物料，Robot M-10iA工业机器人是多功能机器人，由本体和示教器等部分组成。

机器本体为关节式六轴结构，具有手腕旋转、扭转等独立旋转关节。为避免运转过度导致设备损坏，设限位装置，控制箱程序设置的软限位小于硬限位，电动机减速。搬运机器人机械手控制系统采用PLC作为主控制器，用工业以太网等方式实现数据通信。Simatic PLC负责接收触摸屏操作指令，传递工位PCL设备运行状态信号。硬件设计选型满足控制系统要求，考虑生产工艺变化要求，I/O点预留10%裕量，PLC选用西门子Simatic S7-200，配置包括数字量输出模块、电源模块等。西门子S7-200 PLC技术可靠性高，在工业控制现场有大量成功应用案例。

执行装置正确使用相应物料移载方法，实现工件抓取，有助于保障搬运操作人员健康、作业安全和产品品质。设计小巧轻便、安全可靠的现代执行装置非常重要。为高效完成物料搬运任务，本研究设计了纵横向抓取执行装置，其由多个部件组成，采用双气缸结构增加夹爪行程，机械手抓取动作由气缸驱动。机械手前端夹爪互换完成不同方位抓取，先使用A型夹爪，然后手动更换B型夹爪，完成轴向夹取工件。完成搬运机器人机械手硬件设计后，对系统进行检测试运行，调试期间要确认周围环境安全，示教模式下，搬运机器人按预定轨迹设定程序点，调节机械手加持力，配置好工艺参数。

6 结论

当前，机电一体化技术逐渐应用于搬运机器人机械手的设计中。本研究以机电一体化技术为基础，设计了一种搬运机器人机械手。其中，电磁阀控制液压缸实现机械手升降运动，外部线圈控制电机运转实现小车进退运动。在转换动作时，设置在不同部位的行程开关会产生通断信号并将其传输到PLC控制器，驱动外部线圈控制电机动作，保证机械手定位精确。这种搬运机器人机械手可以执行升降、进退等动作，可以长时间运行，满足生产操作要求。

参考文献：

[1]马超坤.悬链涂装线上车轮搬运机器人的轨迹规划[D].济南：济南大学，2016.

[2]许琳.物料搬运机械手的建模与仿真[D].济南：齐鲁工业大学，2016.

[3]吴俊利.搬运机械手的抓取设计及轨迹控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[4]何玉辉.生产线搬运机械手控制系统研究[D].成都：西南石油大学，2016.