基于智能化生产线的轴承搬运机械手的设计★

刘 欢， 嵇正波， 陈兴洲

（1.江苏财经职业技术学院， 江苏 淮安 223001； 2.江苏得热明精密机械有限公司， 江苏 淮安 223001）

0 引言

随着科学技术的不断发展，机器人学已成为近几十年来迅速崛起的一门综合学科。在当今大规模传统生产制造行业中，企业为了提升制造效能，保证产品质量，已普遍开始关注生产制造过程的自动化、智能化水平，工业机器人已成为智能化生产线上的关键成员，主要从事搬运、码垛、焊接和喷涂等技术复杂性强、劳动强度大或是有一定危险性的工作[1]。设计了一款自动化搬运机械手，可通过传感器将所感知到的信号进行反馈，让机械手具备感知机能，从而提高其自动化作业水平，以此赋能传统生产线，逐步实现其智能化改造，降低运行成本的同时，提高运行效率。

1 机械手整体结构及其工艺流程的确定

机械手是实现生产制造过程自动化、提高生产率的核心装备之一。根据机械手在实际应用场合的需求，即实现智能化生产线场景下的两地物料自动搬运任务，机械手需从传送带A 上将轴承坯料类零部件自动夹取，并放置到传送带B 上，进入下一道工序。其工作站整体布局设计如图1 所示。

图1 机械手搬运工作站整体布局

根据上述整体布局和具体场景下的实际使用需求，确定了搬运机械手的工艺流程，如图2 所示。

图2 机械手搬运工作站工艺流程

2 机械手关键部件的设计

通常情况下，完整的伺服机械手主要包括机械与传动系统、驱动系统、传感系统以及控制系统等部分[2]。机械与传动系统主要包括机械手的手爪、腕部、手臂以及机身等部件，其中，手爪是机械手的直接执行机构，主要起夹取和放置物料的作用。而手腕、手臂等部件则可视为机械手的传动机构，主要起改变物料方向和位置的作用。另外，在产品设计时还应充分考虑最大支承重量、工作速度、手臂伸缩行程、最大工作半径和定位精度等技术参数，因未涉及具体参数，故该部分不作详细计算及校核，设计时仅对其中的主要组件进行探讨。

2.1 手爪的设计

手爪主要起夹取和放置物料的作用，因而设计时必须考虑其夹紧功能，确保夹持动作稳定可靠，确保工件的已加工表面不被损坏。对于刚性不够理想的工件，夹紧力的大小需设定为可控制或调节，对于重型的工件则还需考虑使用自锁装置，从而保证夹取的安全性。此外，手爪之间还要有适当的开合角度，确保工件准确定位，并产生合适的强度与刚性。同时，力求结构简单、重量轻、体积小。所设计的机械手用于智能化生产线场景下轴承坯料类零部件的搬运，采用如图3所示的具有夹紧和松开装置的夹持型手爪即可，其夹紧和松开动作均使用气压传动方式完成。

图3 夹持型机械手爪

2.2 腕部的设计

腕部是连接机械手的手爪与手臂的部件，腕关节的运动主要用于改变被夹工件的位置和方向，要求其动作敏捷，工作过程中惯性较小。设计时根据要求选择带有单自由度的旋转缸驱动的腕关节即可。

2.3 手臂的设计

臂部按照拟设计的机械手的运行需求，必须具备回转、升降和伸缩3 个动作能力，即相当于3 轴机械手的3 个自由度，故选择采用圆柱坐标机械手的结构型式。机械手的垂直臂主要由2 个组件所构成，与基座相连接的组件是机械臂的转动部分，利用电机带动链轮完成机械臂的旋转动作，而上面的则是机械臂的升降部分，利用气压传动控制机械臂的升降，而水平臂则用于完成伸缩动作。

2.4 机身的设计

机身是直接支撑和传动手臂的部件，用来完成臂部的升降或旋转等运动的动力装置。传动件均配置在机身上，随着机械手臂部运动复杂性的提高，机身的构造和受力状况也越复杂，而臂部与机身结构的配置型式基本上体现了机械手机构的总体布局。机械手的机身结构设计为固定机座型式，因而机械手机构为相对独立的、自成体系的整体装置，便于安装与移动，并且也可再次配备行走机构。手臂部件安装于机座立柱之间，可以依托机座立柱完成升降动作，获得较大的升降行程。

3 机械手控制系统功能的实现

控制系统作为机械手的“大脑”指挥系统，可通过操作指令程序和由传感器反馈的信号来控制机械手的执行机构，实现相应的操作和功能，包括动作的顺序、位置和时间，甚至是速度与加速度等[3]。所设计的机械手是以轴承坯料搬运为目的的小型圆柱坐标式伺服机械手，采用电力、气压以及液压混合型驱动方式，选用光电传感器来判断传送带中有无物料或是否到位，而机械臂的旋转、升降以及伸缩，则选用电感传感器和磁性传感器来进行检测。由于用途比较固定，I/O 点数并不复杂，故选用三菱品牌小型的FX1N 系列PLC 实现系统控制功能。

3.1 控制模式的设计

所设计的搬运机械手共设有三种工作模式：

1）手动模式。这是针对实际情况而开发的人工操作模式，如用于手动搬运个别异形物料的场合。

2）自动模式。适用于批量的物料搬运场合，是使用较为普遍的工作模式。

3）单步模式。适用于只搬运一件物料后即停止工作的情况，主要用作完成个别物料的搬运任务，使用频次相对较少。

在设计机械手搬运工作站人机交互界面的控制面板时，应充分考虑上述操作功能键的布局，文中不作赘述。

3.2 机械手控制方案的确定

根据图1 的机械手搬运工作站的整体布局以及图2 的工艺流程，可清晰地掌握整个系统的运行步骤，然后，分别编写手动程序、复位程序等，并进行调试和改进，确定最终的PLC 控制程序。

必须保证IST 在各段扫描时间内都可以保持运行，以M8000 指令进行驱动，且具备自动运行、手动操作、单步执行、单循环执行、复位、设备启动以及设备停止等七种控制功能，因而采用状态元件进行控制最为合适。将S0～S2 分派给初始状态下的手动、复位以及自动运行（包含单步和单循环）3 个程序使用，再将大模块分拆为若干个小模板，如将S10～S19 用作复位模块，S21～S29 用作自动控制模块。以系统手动控制功能的实现为例，它是由手动控制开关来实现启动的，其控制梯形图如图4 所示。

图4 手动控制梯形图

分析控制程序，按下启动按钮，将X1 设置为1，状态元件S0 即获得激活，然后按下各个对应的操作按键，机械手即可做出相应的动作，直至触碰到限位开关后停止。操作过程中若当机械手爪执行了夹紧或松开的动作后，手爪将始终处于夹紧或松开状态，即具有断电保持功能，从而防止意外发生。

根据工艺流程要求，当程序启动后必须先让机械手完成复位，即机械手返回原点位置，方可继续执行自动运行等其他程序。复位操作程序原理如图5 所示。

图5 复位程序控制原理图

分析控制原理，将操作面板上的操作模式调至复位模式，即让状态元件S1 获得激活。按下复位操作开关，输入端X15 得电接通，状态元件S10 立即获得激活，输出线圈Y7 断电（机械手的下降动作停止），输出线圈Y2 断电（手爪松开），同时线圈Y1 得电（机械手的上升动作开始）。当触碰到限位开关输入端X4，状态元件S11 立即获得激活，输出线圈Y3 断电（臂部的伸出动作停止，开始其缩回动作）。当触碰限位开关输入端X7，状态元件S12 立即获得激活，输出线圈Y6 断电（机械手臂的右转动作停止，开始其左转动作）。当触碰限位开关输入端X10，状态元件S13 立即获得激活，同时输出M8043（原点回归结束），并自动恢复至状态S13，复位程序执行完毕，其梯形图可根据原理图进行绘制。

4 结语

设计了一款可应用于轴承坯料类零部件两地自动搬运生产线的圆柱坐标型伺服机械手，从其整体结构及工艺流程的确定出发，探讨了机械手的手爪、腕部、手臂以及机身结构的设计，重点分析了机械手控制系统功能的实现方法。所设计的轴承坯料类零部件搬运机械手可赋能传统制造业生产线，实现其向智能化生产线的转型升级，并可为相关制造行业生产流水线的自动化、智能化改造提供一定的参考与借鉴作用。